автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптическая система многоспектральной моноапертурной оптико-локационной станции самолета с динамической стабилизацией осей функциональных каналов

На правах рукописи

Червонкин Александр Петрович

Оптическая система -многоспектральной моноапсртурпой оптико-локационной станции самолета с динамической стабилизацией осей функциональных каналов

05.11.07 - "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский институт прецизионного приборостроения» (ФГУП «НИИПП») (г. Москва).

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Хюппенен А.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сидорин В.М.

доктор технических наук, профессор Минаев И.М.

Ведущая организация:

Государственный научный центр Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем»» ФГУП «ГосНИИАС»

' Защита диссертации состоится </,■•//2006 г. в часов на

заседании диссертационного совета К 403.010.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский институт прецизионного приборостроения» по адресу: 111250, г. Москва, Авиамоторная ул., д.53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НИИПП».

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 403.010.01

кандидат технических наук '' / / * Троицкий А.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В 60...70 годах прошлого века советскими инжснерал впервые в мире были разработаны бортовые огггико-локационные станции (ОЛС) 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 станции 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 разрабатывается с учетом конструктивных особенностей носителя, что накладывает определенные ограничения на реализацию новых принципов построения.

Развитие высоких технологий привело к возможности создания новых более совершенных оптико-электронных прицельных систем. Применение новых технологий при разработке аппаратуры позволяет увеличить диапазон дальностей обнаружения, точность измерения угловых координат цели, диапазон и точность измерения дальности, частоту измерений; позволяет 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 свойства аппаратуры необходимо воплотить в весах и габаритах ОЛС предыдущих разработок.

Появление высокочувствительных болыпеформатных 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 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, большую частоту следования импульсов, меньшую расходимость при равных выходных апертурах пучка излучения при меньших весах и габаритах и меньшем энергопотреблении.

Меньшая расходимость зондирующего лазерного излучения позволяет увеличить диапазон измерения дальностей, но при этом требуется более точная система наведения и удержания излучешм на цели. К тому же бортовые оптико-электронные приборы должны обладать высокой стабильностью своих параметров в жестких условиях эксплуатации при воздействии внешних факторов: 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 оптической системы новой многоспектральной моноапертурной ОЛС, позволяющей реализовать более высокие технические параметры по обнаружению, точности наведения и удержания лазерного излучения на цели, что является актуальной задачей улучшения тактико-технических характеристик самолета носителя.

Целью работы является выявление путей создания оптической системы оптико-локационной станции самолета, включающей технологию динамической стабилизации оси. Для достижения этой цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:

- анализ существующих самолетных оптико-локационных станций;

- формирование конфигурации и необходимого состава пеленгационных каналов ОЛС с учетом особенностей носителя для которого она разрабатывается;

- формирование основных идей и принципов построения оптической системы ОЛС нового поколения на основе технологии опорных маркерных пучков;

- создание методики оценки предельной дальности обнаружения нагретой точечной цели матричными фотоприемниками среднего ИК диапазона с учетом ошибки, возникающей при обработке информации в кадре;

- математическое моделирование и экспериментальное подтверждение возможности применения маркерного источника в системе динамической стабилизации оптической оси аппаратуры;

- разработка методов создания оптической системы с динамической стабилизацией оси на основе технологии опорных маркерных пучков и их реализация в изделии, создаваемом предприятием по заказу.

Научная новизна работы. В диссертации получены следующие новые результаты:

I. Разработаны основные принципы построения оптического тракта многофункциональной моноапертурной ОЛС с датчиками системы динамической стабилизации оси.

2. Впервые предложено построение динамической системы на основе опорного маркерного пучка и обосновала целесообразность применения технологии маркерных пучков для динамического согласования оптических осей разноспектральных каналов OJTC и импульсного твердотельного лазера.

3. Впервые предложена методика учета ошибки обработки кадра для оценки предельной дальности обнаружения точечной цели матричным фотоприемником.

4. Впервые разработана оптическая схема оптико-локационной станции с встроенными в нее датчиками системы динамической стабилизации оси.

5. Проведено математическое и экспериментальное подтверждение определения энергетического центра излучения маркерного источника с субпиксельной точностью при помощи матричного фотоприемника.

6. Экспериментально подтверждена возможность функционирования маркерного источника для определения и согласования оптических осей пеленгационных каналов и импульсного твердотельного лазера.

Положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения адаптивной системы наведения на основе маркерного источника, интегрированной в оптический тракт OJIC.

2. Методика учета ошибки, возникающей при обработке кадровой информации, для определения предельной дальности обнаружения точечной цели матричным фотоприемником.

3. Структура построения оптического тракта опытного образца ОЛС с контролем и возможностью стабилизации оптических осей пеленгационных каналов и направления излучения импульсного твердотельного лазера.

Практическая ценность работы и ее реализация. Принципы построения оптических систем с адаптивной системой динамической стабилизации, изложенные в настоящей диссертационной работе, могут быть использованы при разработке управляемых высокоточных контуров систем наведения абонентов.

Приведенная в диссертационной работе методика теоретического определения предельной дальности обнаружения нагретой неразрешаемой цели матричным фотоприемником с учетом ошибок, возникающих при обработке информации, может использоваться для расчетов предельных технических параметров разрабатываемой аппаратуры по'дальности обнаружения целей в различных условиях применения. ■ • •■

Материалы данной работы использованы при разработке и последующем создании опытного образца оптико-локационной станции для самолетов семейства МиГ-29. В 2006 году были проведены летные испытания OJIC-разработки ФГУП НИИПП на борту самолета МиГ-29 (бортовой номер 154).

Апробация работы. Материалы, вошедшие в работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Юбилейная научно-техническая конференция ГосПИИАС, молодежная секция, апрель 2006, г. Москва;

Юбилейная научно-техническая конференция ГосПИИАС «Авиационные системы в XXI веке», апрель 2006, г. Москва.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Работа содержит 157 страницы машинописного текста, включая 64 рисунков, 10 таблиц. Список литературы содержит 96 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, в общем виде формулируется цель работы и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассматривается развитие и современное состояние в области разработки самолетных оптико-локационных систем. Представлен круг задач, которые выполняют данные системы.

В настоящее время на вооружении многих стран находится третье поколение ОЛС. На основе доступных источников и информации разработчиков оборудования описываются принципы построения и состав пеленгационных каналов некоторых современных ОЛС.

Особое внимание уделено следующим системам:

1) Подвесной контейнер для прицеливания Litening III разработки Rafael (Израиль). Контейнеры этого семейства были произведены в большом количестве и находятся на вооружении большого числа стран западной Европы и Америки.

2) Встроенная внутрь фюзеляжа самолетов семейства МиГ-29 станция КОЛС разработки УОМЗ (Екатеринбург, Россия). Эти станции находится на вооружении стран бывшего социалистического лагеря и стран Ближнего Востока.

3) Подвесной контейнер нового поколения Sniper XR разработки Lockheed Martin (США) является самой современной системой. Контейнер Sniper XR выиграл конкурсные соревнования, проведенные ВВС США в 2001 году.

Современная оптико-локационная станция для наведения должна содержать следующий состав функциональных элементов:

- тепловизионная камера переднего обзора с переменными полями зрения для наведения и навигации (в широкоугольном режиме), Иногда для задач наведения и задач навигации устанавливают две отдельные камеры;

- телевизионная камера с несколькими переменными полями зрения, для работы в дневное время суток;

- лазерный целеуказатель / дальномер, работающий в режимах боевого применения на длине волны 1,06 мкм и тренировочном режиме (безопасный для глаз режим работы) - 1,57 мкм;

- система наведения с погрешностью удержания направления линии визирования < 20 угл. сек. при активном маневрировании носителя.

Во второй главе сформулированы основные принципы построения оптического тракта разрабатываемой ОЛС.

Исторически на отечественных самолетах использовались станции, встроенные внутрь фюзеляжа носителя в носовой части. Самолеты эти находятся в эксплуатации, поэтому новая ОЛС должна проектироваться с учетом установочных и габаритных особенностей предыдущих станций. Данное условие накладывает определенные ограничения на реализацию новых принципов построения. Тем не менее, функциональный состав новой системы должен определяться современными тенденциями построения самолетных оптических прицельных систем.

При построении ОЛС целесообразно применение единой оптической апертуры для всех приемопередающих каналов станции, что уменьшает габариты выступающей за внешнюю облицовку самолета приемопередающей части. ОЛС работает через одну общую приемно-передающую апертуру, закрытую сферическим иллюминатором, защищающим изделие от негативного воздействия внешних факторов, и просматривает внешнее пространство в пределах углов ± 90° в горизонтальной плоскости и в углах -15° ... +60° в вертикальной плоскости.

Для увеличения дальности работы дальномерного канала необходимо уменьшать расходимость зондирующего излучения, однако это условие накладывает определенные требования на систему наведения станции. Так, например, у современных зарубежных систем при целеуказании/подсветке цели диаметр пятна на расстоянии 10 км составляет порядка 3 м. Для улучшения наведения управляемого при помощи ОЛС вооружения, находящегося на самолете, необходимо увеличивать точность лазерного целеуказания и удержания линии визирования. Современные оптические системы позволяют удерживать лазерное излучение на цели с точностью 10 угл. сек.

Для удержания излучения на цели конструкция оптико-механического тракта ОЛС должна обладать высокой стабильностью своих параметров при воздействии внешних факторов. Стабильность относительного положения оптико-электронных узлов ОЛС предыдущих поколений базировалась исключительно на жесткости конструкции. Для субминутных точностей выдачи угловых координат и привязки

пеленгационных каналов в бортовых условиях жесткость механической конструкции уже недостаточна.

В данной работе предложен новый принцип построения оптико-механического тракта бортовой ОЛС, заключающийся в том, что в оптическом тракте формируется динамическое базовое (опорное) направление, задаваемое вспомогательным маркерным излучением, и относительно этого направления постоянно измеряются положения пеленгов цели в разноспектральных каналах и направление излучения импульсного лазера дальномера. Полученная информация используется для динамического установления и поддержания направления излучения лазера дальномера по пеленгу цели с субпиксельной точностью, а также для совмещения изображений, полученных в видимом и инфракрасном диапазонах, при выдаче пилоту микшированного изображения. Изложенный принцип построения основан на использовании современной элементной базы (в особенности - матричных фотоприемников и прецизионно управляемых с высокой частотой зеркал) и принципиально нового устройства - устройства опорного маркерного излучения.

Весь оптико-механический тракт разрабатываемой ОЛС можно представить в виде типовых пеленгационных узлов, показанных на рис. 1.

Напралленне пеленга цели

Рис. 1 Типовая схема построения пеленгационного канала ОЛС.

Одновременно на пеленгационный матричный фотоприемник (3), расположенный в фокальной плоскости объектива (2), проецируется:

- изображение пеленга удаленной цели, отраженное от спектроделителыюго зеркала (1);

- изображение бесконечно удаленного маркерного источника излучения, отраженное от спектроделителыюго зеркала (1), уголкового отражателя (4) и пропускаемое спектроделителышм зеркалом (1).

Маркерный источник излучения проецируется на все фотоприемники и указывает на единое базовое оптическое направление. Базовая оптическая ось системы связана с маркерным источником излучения.

При разъюстировке оптического тракта пеленгационного канала, например, за счет изменения углового положения спекгроделительного зеркала (1), на фотоприемной матрице (3) изменится положение пеленга цели, и точно на такой же угол изменится положение источника маркерного излучения. Таким образом, если в процессе эксплуатации оптическая ось пеленгационного канала изменила свое направление то, благодаря встроенному в систему опорному источнику излучения, можно определить, насколько канал сместился относительно своего предыдущего положения или насколько разошлись пеленгационные каналы относительно друг друга и, на основе этой информации, исправлять возникающие расхождения.

Положение энергетического центра излучения маркерного источника па фотоприемной матрице методами математической обработки изображения можно определить с точностью в несколько раз лучшей, чем угловой размер элемента разрешения матрицы. Для этого угловой размер пучка излучения должен превышать угловой размер пикселя в несколько раз.

По причине того, что разрабатываемая ОЛС является многоспектральной, необходимо создать в системе многоспекгральный маркерный источник излучения.

В качестве источника маркерного излучения в видимом, ближнем ИК, диапазоне используется полупроводниковый лазер с выводом излучения через волокно. В качестве источника маркерного излучения в среднем ИК диапазоне длин волн применяется тепловой источник излучения - лампа накаливания с колбой из материала прозрачного в ИК области спектра.

В главе также представлена концепция построения системы наведения коллимированного лазерного излучения на основе маркерного источника.

Оптимальным способом решения данной проблемы является создание системы наведения, автоматически поддерживающей соосность излучений в пределах, определяемых параметрами управляющих элементов. При ее использовании необходимы дополнительные аппаратные возможности и программные модули.

В резонаторе твердотельного лазера типа плоскость-сфера излучение выводится из резонатора строго по направлению, заданному нормалью к выходной поверхности плоского зеркала. В случаях, когда резонатор рассогласован с

опорным направлением на угол а, то отраженный пучок в плоскости матричного фотоприемкика сместится на угол 2а относительно опорного. Подав команду на поворот управляемого зеркала по той или иной координате, можно свести эти направления в одно. Таким образом, направление излучения лазера будет выведено на оптическую ось системы пеленгационных каналов ОЛС.

На рис. 2 представлепа схема окончательно выбранной по итогам исследований конфигурации маркерного источника и измерительной телевизионной камеры для определения взаимного положения направлений опорного излучения и излучения импульсного лазера.

6-1

Рис. 2 Схема маркерного источника и контура юстировки излучения импульсного лазера.

Состав:

I - двухспектральный маркерный источник; 2- объектив маркерного источника;

3, 5 - плоскопаралельная пластина, расположенная под углом Брюстера к направлению излучения твердотельного лазера;

4, б - узел пространственного деления маркерного излучения;

7 - телевизионная камера с высокой частотой считывания кадра;

8 — телескопическая система с кратностью увеличения 3х;

9 - поворотное зеркало;

10 - управляемое по двум координатам поворотное зеркало;

II - импульсный твердотельный лазер; 12, 13-поглотитель.

Следует отметить еще одну важную причину введения маркерного пучка. Казалось бы, систему наведения излучения импульсного лазера можно построить, отделив в пеленгационпый канал часть излучения дальномерного лазера и затем анализировать разницу между положениями пеленга и излучением дальномера. Таким образом, контроль направления излучения можно вести по испущенному импульсу с частотой не более частоты следования импульсов (-10 Гц). Однако возмущающие воздействия мог-ут иметь существенно более высокие частоты (по оценкам частоты существенных возмущений могут достигать 100 Гц). Для парирования возмущений высоких частот информацию следует получать с большими частотами (например, до 1 кГц). Маркерное излучение можно сделать достаточно высокочастотным - вплоть до непрерывного, как это реализовано в рассматриваемой системе. В этом случае частота получения информации определяется обратным временем считывания кадра с матрицы.

Также в главе рассмотрены варианты конструктивного расположения осей вращения управляемого элемента адаптивной системы наведения относительно поверхности зеркала и направления падающего излучения (рис.3).

Оптимальным вариантом построения контура управляемого зеркала является вариант Б), так как при таком способе построения контура полиостью отсутствуют проекционные связи между координатами направления отражения при вращении зеркала, амплитуда перемещения в плоскости - 2а, в плоскости гу -а. Однако, нельзя оставить без внимания вариант В), т.к. при таком способе построения управления амплитуда поворота пучка зеркалом в плоскости ХУ увеличивается в раз, но присутствует проекционная связь между координатами перемещения. В диапазоне углов поворота зеркала меньше 1° проекционные связи можно не

г

Рис. 3

учитывать, они составляют малую, по сравнению с амплитудой перемещения, часть.

Также в главе рассмотрены возможные области применения технологии маркерных пучков в различных режимах применения ОЛС.

В третьей главе представлены технические параметры основных оптических элементов и датчиков, на основе которых предполагается строить ОЛС. На основе технических параметров матриц среднего ИК диапазона длин волн получены зависимости дальности обнаружения от времени экспозиции при различных уровнях фонового излучения.

В большей степени глава посвящена описанию методики определения предельной дальности обнаружения неразрешаемой цели. Изложенная в главе методика позволяет определить дальность обнаружения нагретой цели матричным фотоприемником среднего ИК диапазона с учетом параметров фона и ошибки, возникающей при обработке изображения.

На предельных дальностях обнаружения, когда объект не разрешается оптической системой (угловой размер объекта меньше углового размера пикселя: Фц^Фэл). излучение от объекта собирается на одном фоточувствительном элементе.

Мощность полезного сигнала от объекта Р, [Вт] составляет:

~ J2 , где

J [Вт/стер]- сила света источника сигнала в диапазоне Я, = 3...5 мкм;

Tip - пропускание атмосферы в данном диапазоне длин волн;

SBx [м2] — приемная апертура фотоприемного устройства (ФПУ);

т0Пт - пропускание оптического тракта ФПУ;

L [м] — расстояние до цели;

Ттр = exp(-otL) - пропускание атмосферной трассы;

а [м-1] - коэффициент ослабления излучения в атмосфере;

к - коэффициент заполнения ячейки.

Величина фоновой засветки каждого пикселя Рф [Вт] определяется выражением:

Рф= Вф Sax фзл2 топт к, где

Вф [Втхм"~2хстер_1] — энергетическая яркость источника фона;

Фэя [рад] — угловой размер элемента изображения на матрице.

Из сравнения вышеприведенных формул видно, что отношение Рс/Рф не зависит от площади входной апертуры и пропускания оптического тракта системы.

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: Рс « Рф. Методика обработки информации, полученной на матрице, включает выравнивание чувствительности и усиления по пикселям, учет «битых» пикселей, вычитание среднего уровня фона др. приемы. 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 01раничивает чувствительность ФПУ. Поэтому при написании основного энергетического уравнения по обнаружению тепловой цели в расчетную формулу вводится компонент, отвечающий за ошибку вычитания фона - 5РФ. Практически реализованная методика позволяет выделять полезный сигнал Р0 ~ 0,01Рф.

Модифицированное основное энергетическое уравнение имеет вид:

т| - квантовый выход ФД (отношение числа фотоэлектронов к числу поглощенных фотонов);

Pf [Вт/Гц"2] - спектральная мощность шума ФПУ;

to [с] - длительность экспозиции кадра;

П — соотношение между полезным сигналом и шумом (величина, определяемая допустимыми вероятностями достоверного приема и ложной тревоги).

Первое из слагаемых под корнем определяет шум фона, второе — пороговую чувствительность ФПУ, третье - погрешность обработки информации, имеющейся в кадре.

Для самолетных систем предъявляется требование относительно вероятности ложной тревоги FM<lCf3. Вероятность правильного обнаружения D зависит от уровня поступающего на фотоприемник полезного сигнала от объекта, находящегося на некотором расстоянии. Практическую значимость имеют такие дальности обнаружения, для которых D > 0,5. Для решения задачи обнаружения объекта использовался критерий Неймана-Пирсона.

Для вероятностей ложной тревоги FM =10~3 и правильного обнаружения

&Рф+2Р^+(28Рф)2 , где

T]-t0 t0

1

hv [Дж] - энергия кванта света, для X = 3,7 мкм hv = 5,4-10 20 Дж;

D-0,9 оптимальное отношение сигнал/шум П=5.

Проведен анализ по дальности обнаружения для двух типов матричных фотоприемпиков:

- ФПУ на основе ИК ПЗС матрицы (ФППЗ БШ 22 М) разработки ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург). Материал матрицы PtSi.

- ФПУ на основе матрицы «Gemini» разработки фирмы Semi-Conductor Deviccs (Израиль). Материал матрицы InSb.

Данные по параметрам матриц приведены в таблице 1.

Таблица 1

Материал матрицы PtSi InSb

Спектральная чувствительность, мкм 3...5 3...5

Число фоточувствительных элементов 256 х 256 320 х 240

Размеры ячейки, мкм2 40x40 30x30

Коэффициент заполнения ячейки 0,35 >0,9

Поле зрения матрицы, рад2 0,17x0,17 0,22x0,16

Поле зрения ячейки матрицы, рад (угл. мин) 7-10"4 (2) 7-10*4 (2)

Диаметр приемной апертуры, мм 30 30

Квантовый выход 5-Ю"3 >0,65

Пороговая мощность, Вт 5-Ю"13 ---

Обнаружительная способность, Вт'-см-Гц"2 5-Ю11

Сигнал насыщения, (ё) 5-106 1.1-107

Частота кадров, Гц 25 100 Гц

Пропускание оптического тракта 0,3 0,3

Самыми тяжелыми условиями работы являются условия на уровне земли в летнее. дневноег время па фоне рассеянного излучения солнца. В первом случае яркость фона в сдектральном диапазоне 3 ... 5 мкм составляет Вф = 2,3 Вт-м~2ср-1. Во втором - Вф = 0,5 Вт-м'2-ср_1. Показатель ослабления излучения а зависит от состояния атмосферы на уровне земли и высоты. Для X = 3,7 мкм в приземной атмосфере при простых метеоусловиях (8Ш = 10 км) и относительно сложных метеоусловиях (Бщ = 5 км) а = 3-Ю"2 1/км и а =10~1 1/км, соответственно; здесь ¡¡>ш— метеорологическая дальность видимости в приземной атмосфере для X — 0,55 мкм.

Результаты по дальности обнаружения приведены в таблице 2 для объекта с силой излучения объекта I = 400 Вт/стер и 1=10 Вт/стер для вероятностей ложной тревоги =10"3 и правильного обнаружения 0=0,9.

Таблица 2

.1 = 400/ 10, Вт/стер Ь, км

(40 мс) ЬгёЬ (10 мс)

В=2,3 Вт/м2стер. (облачность) «=0,1 км"' (8т=5 км) 15/4,3 18/5,2

аг= 0,03 км"1 (8га= 10 км) 24/5,0 28/6,1

В= 0,5 Вт/м2стер. (чистая атмосфера в приземных слоях) а=0,1 км"1 (8т=5 км) 19/5,6 25/9,0

а= 0,03 км"1 (8т= 10 км) 30 / 6,7 45/12

В=0,054 Вт/м2стер. (чистая атмосфера на высоте 5 км) а= 0,008 км"1 45 / 8,2 123/30

Зависимости дальности обнаружения от времени экспозиции кадра для объекта с силой излучения 400 Вт/стер (вероятность ложной тревоги Рм =10~3 и правильного обнаружения 0=0,9.) и вероятности правильного обнаружения от дальности обнаружения (вероятность ложной тревоги Км =10 3) для условий:

- большой яркости фона (В — 2,3 Вт/м2-стер) и сильного ослабления излучения на трассе (а = 0,1 км~') приведены на рис. 4а, 46;

- малой яркости фона (В — 0,5 Вт/м2-стер) и слабого ослабления излучения на трассе (а = 0,03 км-1) приведены на рис. 5а, 56;

- чистой атмосферы на высоте 5 км (В = 0,054 Вт/м2-стер) и слабого ослабления излучения на трассе (а = 0,008 км"1) приведены на рис. 6а, 66.

21 23 25 27 29 . 31 И 35

В густер;

а • 0,05 км-'

Вт^сгер;

5™ ОД иг'

16 17 18 19

21 22 25 Цкм

Рис. 4а

Рис. 46

Рис. 5а Рис. 56

Рис. 6а Рис. 66

Зависимость дальности обнаружения от времени экспозиции для ФПУ на основе ГпБЬ выходит на насыщение (см. рис.4а, 5а) и дальнейшее увеличение времени экспозиции не приводит к существенному увеличению дальности обнаружения уже при ^ ~ 0,1 - 1 мс. Увеличение площади входной апертуры ФПУ с ГпБЪ не приводит к увеличению дальности обнаружения в простых и относительно сложных метеоусловиях, так как ограничение дальности обнаружения нагретого точечного объекта определяется внешними по отношению к фотодетекгору условиями: отношением уровня полезного сигнала к погрешности обработки изображения при вычитании фона. Для ФПУ на основе ситуация совершенно иная. Зависимость дальности обнаружения от времени экспозиции имеет устойчивую положительную производную (см. рис.4а, 5а), поэтому увеличение времени экспозиции положительно сказывается на дальности обнаружения. При благоприятных метеоусловиях (фон чистой атмосферы на высотах более 5 км) для матрицы на основе 1п8Ь могут быть использованы большие времена экспозиций, и за счет этого могут достигаться большие дальности

обнаружения (см. рис.ба). Для матрицы на основе (см. рис.ба) для получения сопоставимых дальностей требуются большие экспозиции, такие, которые приводят к появлению смаза изображения и недопустимо большому времени считывания кадра. Большие дальности обнаружения достигаются в условиях, когда аппаратурный фон меньше фона чистой атмосферы, в иных случаях надо проводить сравнение не с фоном атмосферы, а с аппаратурным фоном.

Преимущество 1пБЬ особенно ярко просматривается в благоприятных погодных условиях, то есть при пониженном фоне и малом ослаблении излучения на трассе. Объяснение этому тривиально: 1п8Ь обладает на два порядка большим квантовым выходом и лучшей обнаружительной способностью. Поэтому для него возможно использование малых экспозиций. Ограничение дальности практически всегда определяется фоном, точнее погрешностью обработки информации при вычитании фона. Для во всех случаях ограничивающим фактором является пороговый шум приемника, в основном связанный с малым квантовым выходом при преобразовании света в электрический сигнал.

На основе изложенного, именно 1пБЬ фотоприемник рекомендован для реализации в разрабатываемой ФГУП НИИПП оптико-локационной станции.

Весьма важным фактором для разработки тепловизиошшх устройств является возможность работы при малой величине экспозиции кадра, которая может быть реализована только с использованием ФПУ на основе 1п5Ь, При этом резко снижается острота проблемы стабилизации направления оптической системы ФПУ для получения качественного изображения.

Также в главе определен уровень мощности маркерного излучения необходимый для устойчивого обнаружения его в пеленгационных каналах среднего и ближнего ИК диапазонов длин волн. Для работы при различных уровнях освещенности и фона необходимо иметь возможность регулировки выходной мощности маркерного источника в диапазоне 10 раз.

В четвертой главе излагаются результаты исследований датчика системы динамической стабилизации оси на основе маркерного источника. Проведено математическое моделирование определения направления маркерного источника на матричном фотоприемнике.

В общем случае заранее неизвестны параметры пятна распределения, например, меняются в процессе эксплуатации. Таким образом, необходимо определить закон, описывающий положение энергетического центра пятна излучения на фотоприемной матрице с точностью до долей пикселя, основываясь на одном лишь предположении о симметричности распределения энергии в пятне относительно осевого направления.

Формулу для определения центра пятна излучения по информации о значении энергии на каждом из элементов матрицы можно представить в следующем виде:

= ^--0-5, где

¡и

ДХ — положение центра пятна относительно начала растровой системы координат; А( — весовые коэффициенты элементов в растровой системе координат; V/, - уровень сигнала на пикселе; N — линейный размер окна слежения.

Это не единственно возможный способ определения энергетического центра пятна излучения с субгшкселыюй точностью по изображению, сформированному фотоприемной матрицей. Однако он показывает возможность применения предложенного алгоритма выделения центра для решения поставленной задачи. Выбор наиболее оптимального алгоритма определения центра пятна и его более полная математическая модель, учитывающая множественные факторы является предметом дальнейших исследований.

Рассмотрим : схему определения направления излучения импульсного твердотельного лазера при помощи внешнего источника опорного излучения и измерительной телевизионной камеры (см. рис. 7).

7

Т

Состав элементов: Маркерный источник излучения (1), расположенный в фокальной плоскости объектива (2); поворотное зеркало (3); полупрозрачное зеркало (4); поворотное зеркало (6); зеркало лазера, определяющее положение оптической оси резонатора (7); уголковый отражатель (5) для получения на

телевизионной камере опорного направления; телевизионная матрица (9), в фокальной плоскости объектива (8) использовалась в качестве измерительного прибора.

При проведении эксперимента в таком виде возникли некоторые затруднения. Процесс совмещения двух пятен в одно («пятно в пятно») связан с техническими трудностями в силу фундаментальных физических законов 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.

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 изложешшм, для определения максимально возможной точности совмещения энергетических центров пятен разных источников возникает необходимость в разнесении сравниваемых источников: по времени измерения положения каждого источника, либо пространственное разнесение источников. Временное разделение источников влечет за собой постановку на пути следования излучения управляемых модуляторов, транспарантов, работающих в противофазе. Например, (см. рис. 6) необходимо установить управляемый транспарант перед уголковым отражателем (5) и перед реперным зеркалом (7).

В работе выдвинута идея пространственного разнесения пятен. Опорное направление, обозначенное маркерным излучением, разделяется на два направления, симметричных относительно исходного и формирует на матричном фотоцриемнике два пятна. Опорное направление находится посередине линии, соединяющей центры пятен, сформированных расщепленными пучками. Таким образом, найденное опорное направление свободно от засветки маркерным излучением. Относительно этого направленна следует измерять разность между опорным и контролируемым направлениями излучения для использования в различных системах коррекции.

В данной работе реализован способ пространственного разделения положения источников при помощи установки перед уголковым отражателем, направляющим опорное излучение на матричный фотоприемник, призмы с углами при основании равными половинному разнесению пятна от опорного источника. Идея этого способа пространственного разнесения принадлежит Карельскому В.Г. Вообще

реализовать симметричное распределение опорного пучка можно различными способами, но сборка уголковый отражатель-призма оказалась удобпой для конкретной реализации маркерного узла. В главе проанализирована работа маркерного узла со сборкой уголковый отражатель-призма и даны конкретные

Рис. 8 Ход лучей в сборке уголковый отражатель-призма.

Так как каждая часть пучка проходит последовательно сквозь первую и вторую часть призмы, то на выходе с апертуры сборки существуют два пучка, разпесенпых по направлению на равные утлы относительно направления падающего пучка в плоскости, перпендикулярной границе раздела призмы. Пучки, вышедшие с апертуры уголкового отражателя в плоскости, параллельной границе раздела призмы, совпадают по угловому направлению с падающим излучением, а в перпендикулярной плоскости разнесены относительно падающего пучка на равные углы ±(п-1)х(а1ишва1+аклт,а2), где п- показатель преломления материала призмы, «клннаь ссипмаг _ геометрические углы при основании призмы.

Сборка уголковый отражатель - призма уже не обладает свойством уголкового отражателя сохранять направление отраженного излучения параллельно падающему излучению. Экспериментально определено, что при конструировании сборки уголковый отражатель - делительная призма необходимо заложить следующие юстировочные подвижки:

1. Перемещение призмы по апертуре уголкового отражателя в плоскости, перпендикулярной границе раздела делительной призмы;

2. Линейное перемещение относительно падающего пучка конструкции уголковый отражатель - делительная призма в плоскости перпендикулярной границе раздела делительной призмы;

3. Разворот по углу конструкции уголковый отражатель - делительная призма относительно оси, параллельной границе раздела клиньев делительной призмы.

Результат эксперимента фиксировался на тегаювизионную камеру. Получены

рекомендации для его реализации.

следующие результаты: при проведении юстировки удается добиться на фотоприемной матрице появления двух разнесенных пятен одинаковой интенсивности без третьего центрального пятна. Опорные пятна разнесены на одинаковые углы относительно падающего излучения (положение падающего излучения контролировалось при помощи постановки в плечо информационного пучка (см. рис. 7) перед реперным зеркалом (7) уголкового отражателя (5)). Центр между опорными пятнами соответствует направлению падающего излучения.

На рис. 9 показано изображение опорных маркерных пятен, снятое при помощи тепловизионной камеры на равномерном фоне. Результаты обработки видеофильма по точности определения центра между двумя изображениями опорного источника приведены на рис. 10.

ьомер кадра

Рис. 10

Проведенное моделирование подтверждает возможность определения на матричном фотоприемнике энергетического центра направления излучения с точностью не хуже 0,1 элемента разрешения фотоприемника.

На рис. 11 приведена рабочая схема (на основании которой проводилась разработка образца ОЛС) оптическая схема оптико-механического тракта изделия.

1-1 - Защитный иллюминатор из лсйкосапфира. Радиус выпуклой поверхности 85 мм, толщина материала 5 мм;

1-2 — Сканирующее зеркало. Диапазон углов прокачки зеркала ± 90 градусов

по азимуту, -15.. .+60 градусов по углу места;

1-3 — Компенсатор оптического воздействия защитного иллюминатора;

2-1 — Делительная пластина;

2-2, 7 - Поворотное зеркало;

2-3 - Узел приемника дальномера на длинах волн излучения 1,06 и 1,57 мкм. Иоле зрения приемника дальномера 10 угл. мин.;

3-1, 3-2 — Спектроделитель;

4 - Тепловизионная камера среднего ИК диапазона длин волн 3-5 мкм на основе InSb. Количество элементов 320x256. Поле зрения 10x7,5 градусов. Диаметр входного зрачка ~ 30 мм;

5 — Телевизионная камера ближнего ИК диапазона длин волн 0,7 - 0,9 мкм на основе Si: CMOS матрица. Количество элементов 640^480. Поле зрения 10x7,5 градусов. Диаметр входного зрачка ~ 30 мм;

6-1, 6-2 — Уголковый отражатель;

6-3, 6-4 - Поглотитель излучения на длинах волн твердотельного лазера;

8 - Узел маркерного источника;

9 - Узел телевизионной камеры с высокой частотой считывания кадра;

10 - Телескопическая система. Кратность увеличения 3*;

11 - Управляемое по двум координатам поворотное зеркало. Диапазон углов поворота зеркала ± 3 угл. мин.;

12 — ДвухчастотныЙ твердотельный лазер. Энергия в импульсе 100 мДж (длина волны 1,06 мкм), 30 мДж (1,57 мкм). Частота следования импульсов 5.. .30 Гц. Расходимость излучения 3.. .6 угл. мин.

Основные результаты и выводы

1. Проведенный анализ состояния разработок современных OJIC показал, что для решения широкого круга задач при работе в различных условиях боевого применения необходим следующий минимальный состав функциональных систем: инфракрасная камера среднего ИК диапазона длин волн; телевизионная камера; лазер-целеуказатель/дальномер; система наведения с точностью удержания направления линии визирования < 20 угл. сек.

2. Предложен новый принцип построения оптико-механического тракта бортовой OJIC, заключающийся в том, что в оптическом тракге формируется динамическое базовое (опорное) направление, задаваемое вспомогательным маркерным излучением и, относительно этого направления постоянно измеряются положения пеленгов цели в разноспектральных каналах и направления излучения импульсного лазера дальномера. Полученная информация используется для динамического установления и поддержания направления излучения лазера

дальномера по пеленгу цели с точностью до долей углового элемента матрицы, а также для совмещения изображений, полученных в видимом и инфракрасном диапазонах, при выдаче пилоту микшированного изображения.

3. Предложена методика "определения дальности обнаружения нагретой цели матричным фотоприемником ИК диапазона с учетом ошибки обработки кадра, возникающей при вычитании фона, в различных условиях применения.

4. Показано, что увеличение площади входной апертуры фотоприемного устройства среднего ИК диапазона' на основе 1п8Ь не приводит к увеличению дальности обнаружения в простых и относительно сложных метеоусловиях, так как ограничения по дальности обнаружения точечного объекта определяются внешними по отношению к фотодетекгору условиями: отношением уровня полезного сигнала к погрешности обработки сигнала при вычитании фона.

5. Предложена и рассмотрена система маркерного источника, используемая для наведения лазера дальномера и привязки пелепгационных каналов, учитывающая многоспектральный характер станции. Система прошла стендовую экспериментальную проверку и проходит этап реализации на опытном образце изделия.

6. Расчетным путем показана и экспериментальным моделированием подтверждена возможность создания системы удержания линии визирования на основе маркерного источника с точностями не хуже 0,1 элемента разрешения ИК фотоприемника (10 - 20 угл. сек.).-

7. Предложенные принципы построения и конкретные технические решения позволяют при разработке оптико-локационной станции нового поколения: , <

- отказаться от оптико-механического тракта, в котором совмещение и поддержание относительного положения оптических осей различных функциональных устройств обеспечивается жесткостью конструкции, что при реализации требуемых точностей и стабильности привело бы к массогабаритным характеристикам изделия, совершенно не приемлемым для заданных бортовых условий; ; Г :*

разработать оптико-механический тракт и моноапертур ную многоспектральную оптико-локационную станцию в целом, удовлетворяющую жестким требованиям по массе, размещению и условиям применения бортового изделия, за счет создания динамически поддерживаемого базового направления, создаваемого маркерным излучением, направление которого выставлено по пеленгу цели;

- существенно улучшить технические характеристики станции за счет возможности использования динамической стабилизации направлений линий визирования и применения предельно узких диаграмм направленности излучения лазера дальномера.

8. Материалы данной работы использованы при разработке и создании опытного образца оптико-локационной станции для самолета семейства МиГ-29. В 2006 году проводились летные испытания ОЛС разработки ФГУП НИИПП на борту самолета МиГ-29 (бортовой номер 154), подтверждающие правильность рассмотренных в диссертации концептуальных положений и конкретных технических решений.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Быковский ЮА, Елоев ЭЛ., Маркилов A.A., Чсрвонкин А.П. и соавт. Некогерентный коррелятор с киноформом и акустооптическим дефлектором как устройством ввода Л Тезисы докладов Региональной школы молодых ученых «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники». Владивосток, 2000.

2. Васильев В.П., Сумерин В.В., Червонкин А.П. и соавт. Аппаратура для оптической линии связи повышенной скрытности.// Радиотехника, 2002. №12.

3. Червонкин А.П., Набокин П.И., Хюппенсн А.П. Малогабаритное двухкоординатное устройство наведения пучка излучения для атмосферной оптической линии связи между подвижными объектами.// Оптический журнал, 2004. № 5.

4. Сумерин В.В., Хюппепен 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.

5. Червонкин А.П. Сравнительный анализ матричных ФПУ на основе PtSi (силицид платины) и InSb (антимонид индия).// Материалы молодежной секции юбилейной конференции ГосНИИАС. Москва, 2006.

Червонкин Александр Петрович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписало в печать 26.10.2006 г. Формат 60x90, 1/16. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №840

Отпечатано в ООО "Фирма Блок" 107140, г. Москва, ул. Краснопрудная, вл. 13. т. 264-30-73 \¥\у\\г.Ыок01 centre.narod.ru Изготовление брошюр, авторефератов, печать и переплет диссертаций.

Введение.

Глава 1 Существующие оптико-локационные станции.

1.1 Развитие функциональных возможностей авиационных оптико-локационных станций зарубежного и отечественного производства.

1.2 Существующие зарубежные системы.

1.3 Развитие отечественных оптико-локационных станций.

1.4 Третье поколение систем прицеливания.

1.5 Принципы построения оптической системы существующих современных оптико-локационных станций.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2 Основные принципы построения оптического тракта OJ1C нового поколения.

2.1 Принципы построения оптической схемы OJ1C нового поколения.

2.2 Концепция построения системы наведения лазерного излучения на основе маркерного источника.

2.3 Анализ вариантов установки и управления зеркалом прецизионного наведения.

2.4 Использование маркерного источника в различных режимах работы

Выводы к главе 2.

Глава 3 Обоснование выбора ИК фотоприемника для построения пеленгационного кагнала и определение необходимого уровня мощности маркерного источника.

3.1 Технические параметры основных оптических элементов и датчиков, составляющих основу построения ОЛС.

3.2 Определение дальности обнаружения точечной цели на основе матричных фотоприемников среднего ИК диапазона.

3.2.1 Расчетные соотношения для определения дальности обнаружения.

3.2.2 Расчет уровня полезного сигнала.

3.2.3 Расчет уровня фона.

3.2.4 Расчет уровня шума.

3.2.5 Основное энергетическое уравнение.

3.2.6 Параметры матриц и исходные данные для сравнительного анализа.

3.2.7 Расчет вероятности обнаружения полезного сигнала на фоне шумов.

3.2.8 Результаты сравнительного анализа ФПУ.

3.2.9 Выбор типа фотоприемника.

3.3 Определение необходимого уровня мощности маркерного источника для его устойчивого обнаружения в пеленгационных каналах среднего и ближнего ИК диапазонов длин волн.

Выводы к главе 3.

Глава 4 Экспериментальная проверка системы динамической стабилизации оптической оси системы на основе маркерного источника.

4.1 Математическое и экспериментальное моделирование процесса определения энергетического центра пятна с субпиксельной точностью.

4.2 Принцип работы системы динамической стабилизации направления излучения твердотельного лазера и выбор конфигурации источника маркерного излучения.

4.3 Рабочая оптическая схема построения OJIC. Описание оптической схемы.

4.4 Экспериментальные подтверждения применения маркерного источника в системе динамической стабилизации оптической оси системы.

Выводы к главе 4.

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 OJIC 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: 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 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 OJIC 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ состояния разработок современных ОЛС показал, что для решения широкого круга задач при работе в различных условиях боевого применения необходим следующий минимальный состав функциональных систем:

• Инфракрасная камера среднего ИК диапазона длин волн;

• Телевизионная камера;

• Лазер-целеуказатель/дальномер;

• Система наведения с точностью удержания направления линии визирования < 20 угл. сек.

2. Предложен новый принцип построения оптико-механического тракта бортовой ОЛС, заключающийся в том, что в оптическом тракте формируется динамическое базовое (опорное) направление, задаваемое вспомогательным маркерным излучением и относительно этого направления постоянно измеряются положения пеленгов цели в разноспектральных каналах и направления излучения импульсного лазера дальномера. Полученная информация используется для динамического установления и поддержания направления излучения лазера дальномера по пеленгу цели с точностью до долей минимального элемента разрешения матрицы, а также для совмещения изображений, полученных в видимом и инфракрасном диапазонах, при выдаче пилоту микшированного изображения. Реализация принципа построения стала возможна при появлении современной элементной базы (в особенности - матричных фотоприемников и прецизионно управляемых с высокой частотой зеркал) и принципиально нового устройства - устройства маркерного излучения.

3. Предложена методика определения дальности обнаружения нагретой цели матричным фотоприемником ИК диапазона с учетом ошибки обработки кадра в различных фоновых условиях.

4. Показано, что увеличение площади входной апертуры фотоприемного устройства среднего ИК диапазона на основе InSb не приводит к увеличению дальности обнаружения в простых и относительно сложных метеоусловиях, так как ограничения по дальности обнаружения точечного объекта определяются внешними по отношению к фотодетектору условиями: отношением уровня полезного сигнала к погрешности обработки сигнала при вычитании фона.

5. Предложена и рассмотрена система маркерного источника, используемая для наведения лазера дальномера и взаимной привязки пеленгационных каналов, учитывающая многоспектральный характер станции. Система прошла стендовую экспериментальную проверку и проходит этап реализации на опытном образце изделия.

6. Расчетным путем показана и экспериментальным моделированием подтверждена возможность создания системы удержания линии визирования на основе маркерного источника с точностями не хуже 0,1 элемента разрешения ИК фотоприемника (10-20 угл. сек.).

7. Предложенные принципы построения и конкретные технические решения позволяют при разработке оптико-локационной станции нового поколения:

- отказаться от оптико-механического тракта, в котором совмещение и поддержание относительного положения оптических осей различных функциональных устройств обеспечивается жесткостью конструкции, что при реализации требуемых точностей и стабильности привело бы к массогабаритным характеристикам изделия, совершенно не приемлемым для заданных бортовых условий;

- разработать оптико-механический тракт и моноапертурную многоспектральную оптико-локационную станцию в целом, удовлетворяющую жестким требованиям по массе, размещению и условиям применения бортового изделия, за счет создания динамически поддерживаемого базового направления, создаваемого маркерным излучением, направление которого выставлено по пеленгу цели;

- существенно улучшить технические характеристики прибора за счет возможности использования динамической стабилизации направлений линий визирования и применения предельно узких диаграмм направленности излучения лазера дальномера.

8. Материалы данной работы использованы при разработке и создании опытного образца оптико-локационной станции для самолета семейства МиГ-29. В 2006 году проводились летные испытания ОЛС разработки ФГУП НИИПП на борту самолета МиГ-29 (бортовой номер 154), подтверждающие правильность рассмотренных в диссертации концептуальных положений и конкретных технических решений.

БЛАГОДАРНОСТИ

Выражаю свою искреннюю признательность:

- начальнику отделения Сумерину В.В. за проявленной внимание .к данной работе;

- научному руководителю Хюппенену А.П., в общении с которым рождались практически все решения по построению станции и, в отделе которого происходила работа над этим материалом на протяжении нескольких лет;

- профессору Васильеву Д.В. и ведущему научному сотруднику Ораевскому И.Н за критику и возможность постоянного обсуждения полученных результатов;

- начальнику сектора Карельскому В.Г. за ценные замечания и некоторые технические идеи;

- начальнику группы Култышеву Ю.И. за помощь при получении и обработке ряда экспериментальных данных;

- начальнику сектора Алексееву М.Р. и всему коллективу, руководимого им сектора, за постоянное творческое сотрудничество;

- начальнику конструкторского отдела Дементьева В.И. и весь коллектив, руководимого им отдела, при плодотворном сотрудничестве с которым формировался облик новой разрабатываемой системы;

- ученого секретаря Совета Троицкого А.И. за проявленный интерес к написанию работы и постоянную помощь при решении организационных вопросов;

- а также всем тем, с кем рука об руку приходилось работать все это время и всем тем, кто принимал участие в обсуждении технических решений и, тем самым внес свой вклад в подготовку материалов данной работы.

1. Lockheed Martin Expects to Build More Than 500 Sniper XR pods.// Aviation Week & Space Technology, March 11, 2003. p. 56.

2. Richards J.A. Remote Sensing Digital Image Analysis. Berlin Heidelberg.: Springer-Verlag, 1995.

3. Ripley Tim F-16 Precision Strikers, Operation Deliberate Force Over Bosnia.// Code One Magazine, January 1996. p.29.

4. Scott William B. Enchanced Lantirn System Gives F-16s a Day/Night Precision Strike Capability.// Aviation Week & Space Technology, July 21, 2003. p. 44-46.

5. Scott William B. Nowhere to hide.// Aviation Week & Space Technology, October 4,2004. p. 52-55.

6. Scott William B. Sniper Shines.// Aviation Week & Space Technology, October 4,2004. p. 56.

7. Wall Robert Waging War Precisely.// Aviation Week & Space Technology, March 17,2003. p. 46-47.

8. Weapons Control & Targeting Systems.// Aviation Week & Space Technology, January 17, 2005, p.227-229.

9. Авиационные лазерные и оптико-электронные системы./ Под редакцией СидоринаВ.М. М.: издание ВВИА им.Н.Е. Жуковского, 2003.

10. Авиация ПВО России и научно-технический прогресс. Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра./ Под редакцией Федосова Е.А. М.: Дрофа, 2004.

11. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990.

12. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979.

13. Ахманов С.А., Никитин В.В. Физическая оптика. М.: Издательство МГУ, 1998.

14. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1973.

15. Беляев А.А., Воронова И.М., Жевляков А.П. и соавт. Оптические материалы для лазеров среднего ИК диапазона. //Оптический журнал. 1996, №12.

16. Богданкевич О.В., Дарзняк С.А., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976.

17. Большая Советская Энциклопедия, Т. 20. М.: Советская энциклопедия, 1975.

18. Борн М., Вольф Э. Основы оптики./ Под редакцией Мотулевич Г.П. М.: Наука. 1973.

19. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1986.

20. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. М.: Мир, 1986.

21. Бутиков Е.И. Оптика. СПб.: Невский Диалект; БХВ-Петербург,2003.

22. Васильев В.П., Сумерин В.В., Червонкин А.П. и соавт. Аппаратура для оптической линии связи повышенной скрытности.// Радиотехника, 2002. №12.

23. Взаимодействие лазерного излучения с материалами оптико-электронной техники./ Под редакцией Захарова Н.С. Сергиев Посад: Изд-во ЦФТИ МО РФ, 2004.

24. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965

25. Воронцов М.А., Корябин, А.В., Шмальгаузен В.И. Управляемые оптические системы. М.: Наука, 1988.

26. Гауэр Дж. Оптические системы связи./ Под редакцией Ларкина А.И. М.: Радио и связь, 1989.

27. Госсорг Ж. Инфракрасная термография./ Под редакцией Курбатова Л.Н. М.: Мир, 1988.

28. ГОСТ 9411-81 Стекло оптическое цветное.

29. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989.

30. Дьяконов В. MATLAB 6: учебный курс. СПб.: Питер, 2001.

31. Евтихиев Н.Н., Евтихиева О.А., Компанец И.Н. и др. Информационная оптика. М.: Издательство МЭИ, 2000.

32. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983.

33. Ефремов А.А., Законников В.П., Подобрянский А.В. Сборка оптических приборов. М.: Высшая школа, 1978.

34. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. М.: Логос, 2000.

35. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984.

36. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. М.: Советское радио, 1966.

37. Иванов А.В. Прочность оптических материалов. Л.: Машиностроение, 1989.

38. ИК-контейнеры с системой прицеливания авиационных бомб на самолетах F-16 и «Хариер».// Научно-техническая информация, Серия: Авиационные системы (обзоры и рефераты по материалам иностранной печати). 2005, № 1.

39. Ищенко Е.Ф. Открытые оптические резонаторы. М.: Советское радио, 1980.

40. Казанцев Г.Д., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение. М.: Высшая школа, 1994.

41. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М.: Высшая школа, 1995.

42. Козелкин В.В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники. М.: Машиностроение, 1985.

43. Корн Г. Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984.

44. Криксунов J1.3. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978.

45. Кулагин С.В., Гоменюк А.С., Дикарев В.Н. и др. Оптико-механические приборы. М.: Машиностроение, 1984.

46. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1984.

47. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Машиностроение, 1989.

48. Лазерные источники излучения.// Каталог справочник. Ч. 3. М.: НТИУЦ ЛАС, 2004

49. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

50. Лукьянов Д.П., Корниенко А.А., Рудницкий Б.Е. Оптические адаптивные системы. М.: Радио и связь, 1989.

51. Марголин И.А., Румянцев Н.П. Основы инфракрасной техники. М.: Воениздат, 1955.

52. Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.

53. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника./ Под редакцией Медведева С.А. М.: Мир, 1976.

54. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Преобразование сигналов в оптико-электронных приборах систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1980.

55. Мустель Э.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.

56. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Радио и связь, 1989.

57. Общетехнический справочник./ Под редакцией Скороходова Е.А. М.: Машиностроение, 1989.

58. Перспективы развития оптико-электронных систем. // Научно-техническая информация, Серия: Авиационные системы (обзоры и рефераты по материалам иностранной печати). 2005, № 1.

59. Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи. Д.: Машиностроение, 1989.

60. Прикладная физическая оптика./ Под редакцией Москалева В.А. Спб.: Политехника, 1995.

61. Проектирование оптико-электронных приборов./ Под редакцией Якушенкова Ю.Г. М.: Логос, 2000.

62. Пространственные модуляторы света./ Под редакцией Гуревича С.Б. М.: Мир, 1977.

63. Самолеты «Супер Хорнет» как основная боевая единица ВМС США.// Научно-техническая информация, Серия: Авиационные системы (обзоры и рефераты по материалам иностранной печати). 2005, № 1.

64. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука, 1969.

65. Сивухин Д.В. Оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.

66. Скляров O.K. Волоконно-оптические сети и системы связи. М.: Солон-Пресс, 2004.

67. Справочник конструктора оптико-механических приборов./ Под редакцией Панова В.А. Л.: Машиностроение, 1980.

68. Справочник по инфракрасной технике./ Под редакцией Волф У., Циссис Г., в 4 томах. Т 1 Физика ИК-излучения. М.: Мир, 1995.

69. Справочник по лазерам./ Под редакцией Прохорова A.M. Т. 1,2. М.: Советское радио, 1978.

70. Стерлинг Дональд Дж. Волоконная оптика. Техническое руководство. М.: Лори, 1998.

71. 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.

72. Тарасов В.В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004.

73. Теория обнаружения сигналов./ Под редакцией Бакута П.А. М.: Радио и связь, 1984.

74. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Т. 1,2. М.: Машиностроение,1966.

75. Физические величины Справочник./ Под редакцией Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991.

76. 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.

77. Червонкин А.П. Сравнительный анализ матричных ФПУ на основе PtSi (силицид платины) и InSb (антимонид индия).// Материалы молодежной секции юбилейной конференции ГосНИИАС. Москва, 2006.

78. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Справочник по физике. М.: Наука,2001.

79. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Советское радио, 1980.

80. Ярив А. Квантовая электроника. М.: Советское радио, 1980