Стабилизированное тепловизионное устройство наведения

 

Изобретение предназначено для использования в оптико-электронных следящих устройствах. Тепловизионное устройство дает возможность увеличить дальность обнаружения объектов, повысить точностные характеристики, позволяет увеличить количество критериев, необходимых для надежного слежения с высоким оптическим угловым разрешением изображения объектов в реальном масштабе времени в телевизионном стандарте. Оно состоит из телескопа оптико-механического сканирующего устройства, сопряженных с приемником излучения, гироблока и карданного подвеса с датчиками момента, и угла, на осях кардана. Сканирующее устройство развернуто по продольной оси кардана на угол 45 относительно поперечных осей карданного подвеса и выполнено в виде кадрового сканера с колеблющимся плоским зеркалом, зеркала переноса выходного зрачка, строчного сканера с вращающейся многогранной зеркальной призмой, объектива приемника излучателя, и дополнено двумя неподвижными наклонными зеркалами, установленными за зеркалом кадрового сканера, при этом строчный сканер и зеркало переноса установлены по разные стороны относительно продольной оси карданного подвеса в одной биссекторной плоскости кардана, а кадровый сканер - в другой, при этом ось вращения многогранной зеркальной призмы строчного сканера установлена параллельно гироблоку, телескоп жестко установлен на переднем торце внутренней рамы карданного подвеса, а оптическая система выполнена светосильной длиннофокусной. 6 ил.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для использования в оптико-электронных приборах, например в оптико-электронных приборах наведения летательных аппаратов.

Известна зарубежная тепловизионная система IR-18 фирмы Barr and Strong (Шотландия) (П.А.Богомолов и др. Приемные устройства ИК-систем. Под редакцией док. физ. мат. наук В.И.Сидорова, Москва, изд. "Радио и связь", 1987).

Система представляет собой нестабилизированное тепловизионное устройство, содержащее телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство, приемник излучения, который подключен к блоку обработки видеосигналов.

Устройство разработано на базе приемника SPRITE структуры. Строчно-кадровое сканирующее устройство содержит телескоп, зеркало развертки по кадру, основное сферическое зеркало, зеркальную шестигранную призму, объектив, приемник излучения.

Устройство обеспечивает полноформатный кадр тепловизионного изображения в телевизионном стандарте путем оптико-механического сканирования в пространстве.

К недостаткам этой тепловизионной системы относится отсутствие возможности стабилизации ее в пространстве для развязки от корпуса летательного аппарата при реализации в карданном подвесе гидростабилизатора, так как большие габариты тепловизионной системы не позволяют использовать ее в карданном подвесе и установить в малогабаритном летательном аппарате.

Известен гироскопический самостабилизирующийся сканер видеоизображения, описанный в патенте Англия N 1539681, 1978, принятый в качестве прототипа. Конструктивно он построен на базе трехстепенного гироскопа с наружным карданным подвесом и содержит входное окно, телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство, объектив, оптически сопряженные с приемником излучения, трехстепенный гироскоп, электронный блок обработки изображения и управления линией визирования и корпус, при этом последовательно соединены выход приемника излучения, электронный блок обработки изображения и моментные датчики гироскопа. Сканер относится к приборам инфракрасной тепловизионной техники, в частности, к стабилизированным тепловизионным устройствам наведения летательных аппаратов, наподобие управляемых крылатых ракет. Выходное окно выполнено в виде сферического обтекателя и установлено в головной части корпуса. Телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство, приемник излучения установлены на внутренней рамке карданного подвеса трехстепенного гироскопа.

Телескоп состоит из линзовых объектива и окуляра; оптическая ось объектива телескопа совмещена с продольной осью трехстепенного гироскопа.

Строчно-кадровое сканирующее устройство содержит качающееся плоское зеркало, выполняющее роль чересстрочного сканера; вращающееся многогранное сканирующее зеркало, выполняющее роль строчно-кадрового сканера, и объектив приемника излучения.

Ротор гироскопа конструктивно совмещен с вращающимся моногранным сканирующим зеркалом строчно-кадрового сканирующего устройства и имеют общую ось вращения.

Оптическая ось объектива телескопа, ось вращения ротора гироскопа установлены на продольной оси трехстепенного гироскопа.

Датчики момента и датчики угла трехстепенного гироскопа размещены на корпусе сканера и соединены кинематически с осями рамок карданного подвеса трехстепенного гироскопа посредством тяг и кинематических пар.

Развертка изображения чересстрочная, кадр имеет 160 строк, частота кадров 25 Гц.

Приемник излучения дискретная матрица 4 х 4 в виде четырех линеек по четыре элемента в каждой линейке.

Многогранное сканирующее зеркало имеет 20 строчно-кадровых граней с разными углами наклона внутренних зеркальных граней к оси вращения. За один оборот сканирующего зеркала сканер формирует полукадр из 80 активных строк; частота вращения ротора сканирующего зеркала 60 оборотов в секунду.

Сканер работает в режиме арретира и следящем режиме. Наведение на объект производится по тепловизионному изображению преобразованному электронным блоком обработки изображения и управления линией визирования в стандартный телевизионный сигнал, передаваемый по линии связи на дисплей бортовой системы.

При появлении изображения объекта в центре поля зрения оператор бортовой системы дает команду сканеру на захват объекта и переход его работы на режим слежения за объектом.

В следящем режиме электронным блоком обработки изображения и управления линией визирования выдаются сигналы, пропорциональные углам рассогласования изображения объекта от центра сканируемого поля зрения; усиленные по мощности сигналы передаются к датчикам момента трехстепенного гироскопа по каждой оси стабилизации; в результате гироскоп прецессирует в направлении обнуления угла рассогласования и удерживает изображение объекта приблизительно в центре поля зрения кадра, т.е. в центре поля зрения телескопа; в полете в контур управления летательного аппарата с электронного блока подаются электрические сигналы управления, что в итоге перемещает рули управления летательного аппарата так, чтобы изображение объекта удерживалось в центре поля зрения телескопа, а траектория полета могла перехватить объект.

Прототип имеет невысокие технические характеристики, что является существенным недостатком: неполный телевизионный стандарт кадра 160 строк; невысокое дифракционное угловое разрешение оптической системы (при диаметре входного зрачка оптической системы 100 мм), порядка 50 угл.с.

недостаточно большое поле зрения 1,5 х 1,5^о; большие габариты наружного диаметра корпуса, порядка 340 мм; невозможность использования приемника излучения SPRITE структуры с внутренним интегрированием сигнала, требующего большие скорости сканирования по строке 325 об/c; телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство, трехстепенный гироскоп не выполнены в виде самостоятельных конструктивных модулей; ротор трехстепенного гироскопа совмещен с многогранным сканирующим зеркалом строчно-кадрового сканирующего устройства; в телескопе между объективом и окуляром установлено чересстрочное качающееся плоское зеркало строчно-кадрового сканирующего устройства; такая конструктивная компановка нетехнологична, не позволяет повысить жесткость и точность трехстепенного гироскопа и строчно-кадрового сканирующего устройства, повысить качество изображения.

Большой наружный диаметр корпуса прототипа не позволяет использовать его в малогабаритных летательных аппаратах.

Конструкция прототипа не позволяет увеличить поле зрения, повысить качество изображения, дальность обнаружения и распознания объектов, точность наведения.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов, повышение технологичности, увеличение поля обзора, повышение качества изображения, дальности обнаружения и распознания объектов, повышение точности.

Указанная задача решается за счет того, что в известном устройстве, содержащем входное окно, телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство, оптически сопряженные с приемником излучения, трехстепенный гироскоп, электронный блок обработки изображения и управления линией визирования и корпус, при этом последовательно соединены выход приемника излучения, электронный блок обработки изображения и моментные датчики трехстепенного гироскопа, введен карданный подвес с датчиками момента по каждой оси и усилитель привода по каждой оси карданного подвеса, подключенный своим входом к датчику угла трехстепенного гироскопа, а выходом к датчику момента по каждой оси карданного подвеса, при этом телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство и трехстепенный гироскоп выполнены в виде конструктивно самостоятельных модулей, кроме того трехстепенный гироскоп установлен с внешней стороны внутренней рамы карданного подвеса параллельно продольной оси внутренней рамы карданного подвеса, строчно-кадровое сканирующее устройство ориентировано в биссекторных плоскостях карданного подвеса и выполнено в виде кадрового сканера с качающимся плоским зеркалом, строчного сканера с вращающейся многогранной зеркальной призмой, ориентированной осью вращения параллельно оптической оси телескопа, и объектива приемника излучения, а между зеркалом кадрового сканера и многогранной зеркальной призмой строчного сканера установлены два наклонных плоских зеркала и внеосевое сферическое зеркало, при этом строчный сканер и внеосевое сферическое зеркало расположены по разные стороны относительно продольной оси внутренней рамы карданного подвеса в одной биссекторной плоскости карданного подвеса, а кадровый сканер расположен в другой биссекторной плоскости карданного подвеса.

На фиг.1 и 2 представлено предлагаемое устройство.

На фиг.3 представлен вариант конструкции предлагаемого устройства с входным окном в виде сферического обтекателя и вариант крепления телескопа и строчно-кадрового сканирующего устройства на внутренней раме карданного подвеса.

На фиг. 4 представлен угол 45^о разворота строчно-кадрового сканирующего устройства вокруг оптической оси телескопа относительно поперечных осей карданного подвеса (ориентация в биссекторных плоскостях карданного подвеса) и расположение оси ротора гироскопа и осей стабилизации трехстепенного гироскопа.

На фиг.5 показан тепловизионный кадр в поле зрения телескопа.

На фиг.6 представлена схема функциональных связей I-I и II-II внутренняя и наружная оси карданного подвеса соответственно; III-III продольная ось карданного подвеса; I'-I' и II'-II' внутренняя и наружная оси стабилизации трехстепенного гироскопа; Н вектор кинетического момента гироскопа; Y-Y и Z-Z строчная и кадровая оси координат тепловизионного кадра; Х-Х оптическая ось телескопа.

Конструкция представляет собой стабилизированное тепловизионное устройство наведения и содержит входное окно 19, телескоп 1, строчно-кадровое сканирующее устройство 2, оптически сопряженные с приемником излучения 3, трехстепенный гироскоп 4, карданный подвес 9 с датчиками момента 5, 6 и датчиками угла 7, 8 по каждой оси I-I и II-II, электронный блок обработки изображения и управления линией визирования 20, корпус 10.

Конструкция выполнена на модульном принципе.

Телескоп 1, строчно-кадровое сканирующее устройство 2, трехстепенный гироскоп 4 выполнены в виде конструктивно самостоятельных модулей.

В конструкцию введен карданный подвес 9 с датчиками момента 5, 6 и датчиками угла 7, 8 по каждой оси I-I и II-II на внутренней раме 11 и наружной раме 12 соответственно.

На внутренней раме 11 карданного подвеса установлены модули: телескоп 1, строчно-кадровое сканирующее устройство 2, приемник излучения 3, трехстепенный гироскоп 4.

На фиг.1 внутренняя рама карданного подвеса совмещена с корпусом строчно-кадрового сканирующего устройства, на фиг.3 показан вариант крепления телескопа и строчно-сканирующего устройства на внутренней раме 11 карданного подвеса; на корпусе 10 устройства установлено входное окно, выполненное в виде сферического обтекателя 19. Телескоп установлен на переднем торце внутренней рамы карданного подвеса; оптическая ось телескопа совмещена с продольной осью карданного подвеса; объектив телескопа выполнен из асферических приемного зеркала и контр-зеркала, окуляр линзовый.

Строчно-кадровое сканирующее устройство 2 содержит по ходу оптических лучей кадровый сканер с качающимся плоским зеркалом 13, неподвижные наклонные зеркала 14, 15, внеосевое сферическое зеркало 16, строчный сканер с вращающейся шестигранной зеркальной призмой 17, объектив приемника излучения 18. Строчно-кадровое сканирующее устройство ориентировано в биссекторных плоскостях карданного подвеса, т.е. развернуто на 45^о вокруг оптической оси телескопа относительно поперечных осей карданного подвеса, при этом строчный сканер и внеосевое сферическое зеркало расположены по разные стороны относительно продольной оси карданного подвеса в одной биссекторной плоскости карданного подвеса, а кадровый сканер расположен в другой биссекторной плоскости, ось вращения шестигранной зеркальной призмы строчного сканера ориентирована параллельно оптической оси телескопа; центр качающегося плоского зеркала кадрового сканера совмещен с центром входного зрачка сканирующего устройства и центром выходного зрачка телескопа. Ориентация строчно-кадрового сканирующего устройства в биссекторных плоскостях карданного подвеса позволяет значительно уменьшить габариты наружного диаметра корпуса устройства, уменьшить моменты инерции внутренней рамы карданного подвеса с установленными на ней модулями и наружной рамы карданного подвеса относительно осей рамок.

Приемник излучения SPRITE структуры 3 представляет собой линейку из восьми приемников излучения с внутренним интегрированием сигнала; каждый приемник излучения линейки представляет собой полоску фоточувствительного сплава Cd_xHg_1-xTe длиной 700 мкм шириной 62,5 мкм, спектральный диапазон 8-14 мкм.

Линейка приемника излучения расположена перпендикулярно направлению оптико-механического сканирования по строке тепловизионного изображения, формируемого на фоточувствительных полосках объективом приемника излучения.

Трехстепенный гироскоп 4 выполнен малогабаритным повышенной точности стабилизации. На осях стабилизации I'-I' и II'-II' установлены датчики момента 21, 22 и датчики углов 23, 24 соответственно. Трехстепенный гироскоп установлен с внешней стороны внутренней рамы карданного подвеса параллельно продольной оси внутренней рамы карданного подвеса, при этом ось ротора гироскопа расположена параллельно продольной оси карданного подвеса, оси стабилизации трехстепенного гироскопа и поперечные оси карданного подвеса параллельны соответственно, при этом датчики углов 23 и 24 трехстепенного гироскопа и датчики углов 7 и 8 карданного подвеса выставлены в нулевое положение, при этом оптическая ось телескопа, продольная ось карданного подвеса совмещены с продольной осью корпуса 10, наружный диаметр которого выполнен в виде цилиндра; это нулевое положение устройства устанавливается при нулевом пеленге объекта; максимальные углы пеленга в любом направлении от нулевого положения порядка 35^о.

В электронный блок обработки изображения и управления линией визирования 20 введены усилители привода 25, 26 карданного подвеса по каждой оси карданного подвеса.

Сканирование пространства осуществляется параллельно последовательным методом.

Энергия ИК-излучения наблюдаемой картины пространства предметов в виде параллельных пучков лучей входит через входное окно в объектив телескопа, формирующий поле зрения устройства в пространстве предметов, и выходит из окуляра телескопа узкими параллельными пучками ИК-энергии, сформированными в угловом поле зрения в вынесенном выходном зрачке телескопа.

Далее ИК-энергия попадает на качающееся зеркало кадрового сканера, центр которого установлен во входном зрачке строчно-кадрового сканирующего устройства, совмещенного с выходным зрачком телескопа; зеркало кадрового сканера осуществляет разложение ИК-картины изображения по кадру, направляя ИК-энергию на внеосевое сферическое зеркало, которое фокусирует ИК-энергию по окружности в фокусах В сферического зеркала; от фокусов В ИК-энергия попадает на зеркальные грани вращающейся шестигранной зеркальной призмы строчного сканера; каждая грань зеркальной призмы осуществляет разложение ИК-картины-изображения по строке, направляя ИК-энергию в объектив приемника излучения, который формирует изображение на линейке приемника излучения; зеркала 14, 15, установленные между кадровым зеркалом и внеосевым сферическим зеркалом, служат для изменения хода параллельных пучков лучей в целях уменьшения габаритов строчно-кадрового сканирующего устройства.

Частота вращения шестигранной зеркальной призмы строчного сканера, для примера 325 об/c, частота колебаний кадрового сканера 50 Гц.

Развертка изображения кадра чересстрочная как в телевизионном стандарте. Каждое поле полукадра образуется путем последовательного просмотра линейкой приемника излучения полосы, состоящей из восьми параллельных строк. Кадр состоит из двух полукадров. Полукадр состоит из 32 рабочих пачек по восемь параллельных строк в каждой пачке при 39 номинальных, а кадр из 512 рабочих строк при 624 номинальных. Частота кадров 25 Гц.

Выход приемника излучения подключен к электронному блоку обработки изображения и управления линией визирования.

Рассмотрение устройства электронного блока не входит в задачи предлагаемого устройства.

Основные функциональные связи устройства представлены на фиг.6.

В функции электронного блока входят обработка сигналов изображения при обеспечении в основном качества изображения, динамического диапазона, максимального коэффициента минимально разрешаемой разности температур, преобразование параллельного потока информации, снимаемой с линейки приемника излучения в последовательный стандартный ТУ сигнал, необходимый для работы электронных схем устройства и передачи по линии связи информации, несущей тепловизионное изображение на тепловизионный экран бортовой командной системы наведения; электронный блок включает в себя электронные схемы управления движением кадровым и строчным сканерами.

Электронный блок включает в свой состав в основном следующие устройства управления линией визирования: вычислитель углов рассогласования, усилитель привода трехстепенного гироскопа по каждой оси, усилитель привода карданного подвеса по каждой оси.

Предлагаемое устройство работает в режиме арретира и следящем режиме; в режиме арретира устройство установлено в нулевом пеленге.

Наведение на объект производится по тепловизионному изображению, выведенному по линии связи в виде стандартного ТУ сигнала на телевизионный экран бортовой командной системы 27.

В полете оси управления летательным аппаратом, оси управления трехстепенного гироскопа и карданного подвеса расположены по схеме "ИКС"; оси координат тепловизионного кадра устройства расположены по схеме "ПЛЮС" строка тепловизионного кадра горизонтальная.

Обнаружение, распознание объектов и наведение на объект, как и в прототипе, может производиться в комплексе с бортовой командной системой, т.е. в режиме командного управления летательным аппаратом по линии связи с помощью тепловизионного изображения объекта на телевизионном экране бортовой командной системы. Оператор выводит летательный аппарат в район нахождения объекта до появления тепловизионного изображения на телевизионном экране в центре поля зрения устройства, после чего дает команду устройству на захват объекта и переход на автосопровождение.

В режиме слежения электронный блок обработки изображения и управления линией визирования 20 формирует электрические сигналы, пропорциональные проекциям угла рассогласования на оси Y-Y и Z-Z кадра между линией визирования и оптической осью, эти сигналы усиливаются, преобразуются в токи управления i_упрI и i_упрII по осям I'-I' и II'-II' трехстепенного гироскопа и через измерительные сопротивления по каждой оси управления подаются в обмотки моментных датчиков 21, 22 трехстепенного гироскопа.

С измерительных сопротивлений снимаются электрические сигналы U и U, пропорциональные угловой скорости линии визирования.

Под действием управляющих моментов датчиков 21, 22 гироскоп прецессирует вектором кинетического момента Н в сторону обнуления углов рассогласования, а вслед за гироскопом по сигналам с датчиков углов 23 и 24 трехстепенного гироскопа, усиливаемых по току усилителями приводов 25 и 26 карданного подвеса и подаваемых в обмотки датчиков момента 5 и 6 карданного подвеса по каждой оси, происходит подслеживание оптической системы устройства в направлении прецессирующего гироскопа, в направлении обнуления угла рассогласования и, обнуляя при этом подслеживании углы датчиков углов 23, 24 трехстепенного гироскопа, при этом происходит удержание изображения в автоматическом режиме в центре сканируемого поля зрения.

С датчиков углов 7, 8 по каждой оси карданного подвеса снимаются электрические сигналы U и U, пропорциональные углам пеленга наблюдаемого объекта.

Электрические сигналы U, U и U, U предназначены для контура управления летательного аппарата для сопровождения наблюдаемого объекта и наблюдения за ним.

Работа предлагаемого устройства в комплексе с бортовой командной системой с линией связи является иллюстрацией одного из возможных применений изобретения.

Конструкция предлагаемого устройства относится к тепловизионным устройствам, однако изобретение применимо для ультрафиолетового и видимого спектральных диапазонов.

Предлагаемое устройство позволяет: уменьшить наружный диаметр корпуса до 250 мм; повысить дифракционное угловое разрешение примерно в 1,5 раза; увеличить число строк в кадре примерно в 3,5 раза;
увеличить поле зрения примерно в 2 раза;
повысить точность стабилизации примерно в 4 раза;
повысить технологичность.

Для распознания объекта с вероятностью 90% требуется 6±1 строк, укладывающихся в размер наблюдаемого объекта (вероятность различия в функции числа строк сканирования); таким образом, чем выше дифракционное угловое разрешение оптической системы, тем больше дальность распознания и наведения.

В итоге предлагаемое изобретение позволяет:
уменьшить габариты наружного диаметра корпуса, что дает возможность использовать его в малогабаритных летательных аппаратах;
повысить технологичность, что улучшает надежность и качество устройства;
повышение качества изображения, увеличение поля зрения, реализация тепловизионного изображения, имеющего полноформатный стандартный телевизионный кадр, повышение дальности обнаружения и распознания объектов дают возможность расширить круг задач, выполняемых летательным аппаратом, увеличить количество критериев, необходимых для обнаружения и распознания объектов сканируемого пространства, обеспечить сопровождение объектов с высокой точностью.

Формула изобретения

СТАБИЛИЗИРОВАННОЕ ТЕПЛОВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО НАВЕДЕНИЯ, содержащее входное окно, телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство, оптически сопряженные с приемником излучения, трехстепенный гироскоп, электронный блок обработки изображения и управления линией визирования и корпус, при этом последовательно соединены выход приемника излучения, электронный блок обработки изображения и управления линией визирования и моментные датчики трехстепенного гироскопа, отличающееся тем, что в него введен карданный подвес с датчиками момента по каждой оси, и усилитель привода по каждой оси карданного подвеса, подключенный своим входом к датчику угла трехстепенного гироскопа, а выходом к датчику момента по каждой оси карданного подвеса, при этом телескоп, строчно-кадровое сканирующее устройство и трехстепенный гироскоп выполнены в виде конструктивно самостоятельных модулей, кроме того, трехстепенный гироскоп установлен с внешней стороны внутренней рамы карданного подвеса параллельно продольной оси внутренней рамы карданного подвеса, строчно-кадровое сканирующее устройство ориентировано в биссекторных плоскостях карданного подвеса и выполнено в виде кадрового сканера с качающимся плоским зеркалом, строчного сканера с вращающейся многогранной зеркальной призмой, ориентированной осью вращения параллельно оптической оси телескопа, и объектива приемника излучения, а между зеркалом кадрового сканера и многогранной зеркальной призмой строчного сканера установлены два наклонных зеркала и внеосевое сферическое зеркало, при этом строчный сканер и внеосевое сферическое зеркало расположены по разные стороны относительно продольной оси внутренней рамы карданного подвеса в одной биссекторной плоскости карданного подвеса, а кадровый сканер расположен в другой биссекторной плоскости карданного подвеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6