Ночной наблюдательный прибор для спасательного вертолета

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Общее описание ТВП и АТА

1.1 Схемы построения и сканирования

1.2 Элементная база

1.3 Система охлаждения

1.4 Индикаторы излучения

1.5 Способы формирования изображения

2. Габаритно-энергетический расчет тепловизионного прицела для ПТРК

Список литературы

1. Общее описание ТВЛ И АТА

1.1 Схемы построения и сканирования

Тепловизионные приборы (ТВП), а также авиационная аппаратура строчного типа (АТА) являются преобразователями излучения инфракрасного в видимое, основанными на использовании фотоэлектрических и пироэлектрических приемников излучения.

В любом из перечисленных приборов ИК излучение с помощью входного фокусирующего объектива, сканирующего устройства и проекционного объектива, предназначенных для поэлементного просмотра поля обзора, преобразуется в фотоприемнике в электрический сигнал.

Сигнал, снимаемый с фотоприемника, усиливается предусилителем и видеоусилителем до величины, достаточной для модуляции напряжения на управляющем электроде электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или светодиода, с целью преобразования этого сигнала в световой поток.

В зависимости от того, что используется в качестве преобразователя электрических сигналов в световой поток - лампа тлеющего разряда, светодиодная линейка или ЭЛТ, выбирается оптическая схема регистрирующей части прибора.

Если в качестве преобразователя электрической энергии в световой поток используется лампа тлеющего разряда или светодиодная линейка, растр в плоскости изображения формируется с помощью сканирующего устройства. При использовании в качестве преобразователя электрической энергии в световую приемной телевизионной трубки развертка изображения осуществляется с помощью генераторов строчной и кадровой развертки ЭЛТ, синхронизируемых в своей работе датчиком синхронизации, сидяшим на одном валу со сканером ИК излучения.

Система первого типа, в которых сканирование в плоскости предметов и в плоскости изображения осуществляется с помощью оптико-механических

сканирующих устройств (качающееся зеркало, вращающаяся призма пирамида, оптические клинья и т.д.), называются системами с жесткой механической синхронизацией (системы с жестким валом).

Системы второго типа, в которых используются ЭЛТ, называются системами с электронной разверткой.

Система с электронной разверткой используются как в дешевых носимых ТВП (с низким разрешением), так и в возимых приборах с высоким разрешением.

Системы с жесткой механической синхронизацией применяются в основном в переносных наблюдательных и прицельных приборах с многоэлементными (до 64 элементов) фотоприемниками. Индикация в таких приборах осуществляется с помощью светодиодной линейки.

Системы первого типа могут быть как с разделительными Ик и видимыми типическими каналами (кроме входов и выходов), так и с совмещенными (на сканере и в проекционном объективе).

В системах с совмещенными ИК и видимыми каналами достигается наилучшая параллельность оптических осей каналов, эти схемы стабильны в широком интервале температур и механических воздействий. В системах такого типа нет потерь углового и температурного разрешения из-за неконтролируемой и неуправляемой непараллельности оптических осей.

Однако в приборах и системах данного типа приходится дважды применять делители ИК и видимого излучения, что приводит к ослаблению оптических сигналов, В связи с чем в них приходится использовать преобразователи электрического сигнала в световой (светодиоды) с высокой крутизной преобразования.

Далее приведено несколько функциональных схем с системами синхронизации первого типа.

На рис Л представлена схема, в которой сканирование по строке и кадру осуществляется с помощью качающегося в двух направлениях зеркала. В таких схемах используются, как правило, 60- и 64-элементные фотоприемники и чересстрочная развертка.

Рис. 1 Функциональная схема тепловизора с качающимся зеркалом: 1-плоскость предмета; 2-телеобъектив; 3-проекционный объектив; 4-сканер; 5-компенеационные клинья; 6-плоскость изображения; 7-светодионая линейка; 8-видеоусилитель; 9- фотоприемник.

По описанному принципу разработаны и серийно выпускаются в США модульные ТВП AN/TAS-4, AN/PAS-6, AN/V8G-, AGA-110, а также некоторые отечественные ТВП.

В приборах данного типа непаралелльность оптических каналов определяется уходом оптических осей КК и видимого каналов от температурных и механических воздействий (ухода осей на сканере нет). Совмещение осей для любой температуры в рабочем интервале температур достигается клиновым компенсатором, который разворачивает пучок лучей по двум координатам.

Некоторые тепловизионные прицелы и наблюдательные приборы серийно выпускались по функциональной схеме, представленной на рис,2.

Данная схема, однако, довольно неудачна с точки зрения параллельности осей НК и видимого каналов. И связано это с тем, что ИК и видимые лучи на сканере идут раздельно - каждый через свою ромб-призму. В результате этого непараллельность осей ИК и видимого каналов, обусловленная ромб-поизмой, однозначно переносится на угловое разрешение ТВП, дополнительно размывая пятно рассеяния ИК и видимого каналов.

Рис.2. Функциональная схема тепловизора с двумя качающимися зеркалами: 1- фотоприемник; 2-проекционный объектив, .3-электродвигатель; 4-сетодиодная линейка: призма.

В приборах с совмещением ИК и видимого каналов (рис.З), как правило, применяется блочный принцип. Оптическая схема собирается из блока входного ИК и коллимирующего (видимого) объективов, блока сканера и проекционного объектива (совмещенных) и, при необходимости, уголкового зеркала (для прицелов). Каждый из блоков имеет свою непараллельность, зависящую от температуры.

Полная непараллельность есть векторная сумма непараллельности. блоков.

В ТВП с высоким угловым разрешением (рис.4) - возимых приборах отображение информации осуществляется на тепловизионном видеоконтрольном устройстве (ВКУ), работающем в телевизионном стандарте.

Рис.З. Функциональная схема тепловизора блочного типа: 1-блок входного объектива; 2-блок проекционного объектива; 3-элетродвигатель; 4-фотоприемник; 5-блок уголкового зеркала.

В ВКУ на экране электронным путем формируется перекрестие, которое может с высокой точностью перемещаться по двум координатам. В приборах такого типа через определенное время производится выверка параллельности осей с помощью встроенного коллиматора.

Выставление параллельности осей осуществляется с помощью перемещения перекрестия по обеим координатам до совпадения его центра с перекрестием визирного канала.

При разработке АТА применяются схемы с вынесенным сканирующим устройством.



Рис.4. Функциональная схема тепловизора с высоким угловым разрешением: 1- телеекоп; 2-кадровый сканер; 3-строчный сканер; 4-поясковое зеркало; 5-фотоприемник; 6,7-датчики строчных и кадровых синхроимпульсов; 8-предусилитель; 9-видеоусилитель; 10-усилитель-формирователь телевизионного сигнала; 11Д 2-генераторы строчной и кадровой развертки; 13-генератор перекрытия; 14-блок питания; 15-видеоконтрольное устройство (ВКУ)

На рис.5 представлена оптическая схема с вращающейся зеркальной призмой или пирамидой.

Рис. 5. Фуикцишалпшая схема теплови» зора с вршдающейся пирамидой: 1 - пирамида; 2- объектив; 3 - фотоприемник, 4 - электродвигатель для протяжки плёнкаi, 5 -- барабан с объективами; 6 - фотоплёнка; 7- электродвиштелъ, 8 - усилитель; 9 - светодиоды



Рис. 6. Построчный просмотр с летательного аппарата.

В схеме, приведенной на рис.5, регистрация информации осуществляется на фотопленку при помощи лампы тлеющего разряда или светодиода. Перемещение пленки в кассете осуществляется пропорционально отношению скорости перемещения носителя к высоте его полета, Просмотр местности в АТА осуществляется построчно, как показано на рис.6.

На рис.7 представлены варианты схемы Кеннеди, которые широко распространены в мире при разработке и проектировании АТА.

Схемы, приведенные на рис.5 и 7 (а,б), работают следующим образом. НК поток с просматриваемой местности сканируется пирамидой 1 (рис.5) или призмой (рис.7,а,б), отражается от плоских зеркал 2 (рис.7,а) или от внеосевых параболических зеркал 2 (рис.7,6), а затем от зеркальных граней призмы 2' падает на фотоприемник 3. Фотоприемник преобразует сфокусированный поток в развернутую во времени последовательность электрических сигналов, которые затем усиливаются усилителем и поступают на модулирующий электрод лампы тлеющего разряда или светодиод; информация со светодиода может записываться на фотопленку или же передаваться на наземный пункт по радиолинии.

В регистраторе (записывающем устройстве) в качестве модулируемого источника света может использоваться и ЭЛТ.

В последнее время широко используется отображение информации с АТА в реальном масштабе времени. Для этого информация записывается поочередно в два блока памяти: с одного блока идет воспроизведение информации в телевизионном стандарте, на другом блок памяти в это время информация записывается.

1.2 Элементная база

В ТВП и АТА используются фотоэлектрические приемники излучения

- фотодиоды и фоторезисторы. Фоторезистор под действием падающего потока изменяет величину внутреннего сопротивления. Наиболее распространенными в тепловизионной технике для области 3-5 мкм являются фоторезисторы на основе InSb, PbSe, PbTe, CdHgTe, Ge(Au) - германий, легированного золотом. Материалы PbSe, РЬТс работает с термоэлектрическим холодильником, дающим температуру охлаждения до --1G0UC . Фоторезисторы на основе материалов InSb, CdHgTe, Ge(Au) требует охлаждения до температуры жидкого азота или воздуха (77-80 К).

Для области спектра 8-14 мкм наиболее распространенными являются фоторезисторы на основе CdHgTe, PbSnTe, Ge(Au) - германия, легированного цинком, Максимум спектральной чувствительности этих материалов лежит в диапазоне 9,5-11 мкм. Температура охлаждения фоторезисторов на основе CdHgTe, CdSnTe лежит в диапазоне от температуры жидкого азота (77 К) до температуры жидкого воздуха (80К).

Основными параметрами фоторезисторов являются:

RT - темновое сопротивление, Ом;

иш - СКО (среднеквадратическое) напряжение шума, снимаемое с затемненного фоторезистора, В;

SE= Uc/P - интегральная (вольтовая) чувствительность - отношение напряжения, снимаемого с фоторезистора, к соответствующему потоку излучения, В/Вт;

Р0 = Um/Sz - пороговый поток - поток излучения, который создает сигнал на фоторезисторе, равный СКО шума, Вт;

Dm - удельная обнаружительная способность фоторезистора в максимуме спектральной чувствительности - величина, обратная пороговому потоку, приведенному к единичной полосе пропускания усилителя и площади приемника А, емГц^/Вт ;

ТфП - постоянная времени фоторезистора, определяемая по спаду частотной характеристики фоторезистора на уровне 0,7 с;

R - число элементов в линейке и размер элемента а = si А , см.

Фоторезисторы PbSe, PbTe, Ge(Au) имеют темновое сопротивление в охлажденном состоянии в пределах от 300 кОм до 1,5 МОм.

Фоторезисторы CdHgTe и InSb имеют темновое сопротивление 75-200 Ом и 3 кОм соответственно.

Фоторезисторы, работающие в области спктра 8-14 мкм, CdHgTe, PbSnTe - имеют темновое сопротивление 75-300 Ом, фоторезисторы Ge(Au)

1.6 от 300 кОм до 1 Мом.

Постоянная времени фоторезисторов PbSe, РЬТс лежит в диапазоне 30- 50 мке.

Постоянная времени остальных фоторезисторов лежит в диапазоне от 0,01 до 10 мкс, причем, чем выше интегральная чувствительность и шум фотоприемника, тем инерционнее фоторезистор. Спектральные характеристики чувствительности типовых приемников приведены на рис.8.

Рис. 8. Спектральные характеристики чувствительности типовых приемников

При разработке ТВП и АТА значительно реже используются фотодиоды. Связано это, во-первых, с отсутствием серийной технологии создания р-п-структур, во-вторых, с трудностями согласования фотодиодных приемников с предусилителями.

При разработке тепловизионной техники большое значение имеет правильный выбор фотоприемника по спектральной характеристике чувствительности. Требуемое положение максимума спектральной чувствительности фотоприемника может быть определено исходя из температур фона по формуле:

Лm= 2898/Г

Так, для температуры фона Т = 293 К имеем: Лm = 9,9 мкм.

1.3 Система охлаждения

Для охлаждения фоточувствительных площадок фотоприемников в ТВП и АТА используются термоэлектрические системы (в основном для области спектра 3-5 мкм), разомкнутые газобаллонные системы дроссельного типа, замкнутые дроссельные системы, газовые холодильные машины, основанные на циклах Мак-Магона и Сплит-Стирлигна.

Основными характеристиками систем охлаждения являются температура охлаждения и холодопроизводительность. Как правило, если используются фотоприемники на основе InSb, CdHgTe, то выбирают системы охлаждения на температуру 80К.

Для фотоприемников на основе CdHgTe ток через площадку (для оптимальных режимов работы) не превышает 5 * 10-йА. При темновых сопротивлениях от 50 до 150 Ом джоулево тепло, выделяемое одной площадкой составляет 1,25 * 10”3В,т.

Для 64-элементного приемника мощность рассеяния составляет 0,08Вт, Основное тепло подводится в подложке фотоприемника от окружающей температуры за счет выводов. Если фотоприемник 64-элементный, то необходимо, как минимум 65 выводов, причем обязательна установка в фотоприемнике датчика температуры через который также протекает ток, и он также выделяет джоулево тепло. Для развязки фотоприемника (устранения влияния тока, протекающего через одну площадку, на другие площадки) делают на каждые 5-8 площадок по донному выводу. Тогда, например, общее число выводов для фотоприемника «Н-64» составит 77.

Каждый вывод подводит из окружающей среды тепло, которое составляет 0,07 Вт. Поэтому общий теплоприток извне здесь составит 0,55 Вт. С учетом джоулева тепла, выделяемого площадками при прохождении через них тока, обшее тепловыделение фотоприемника «Н-64» равно 0,65 Вт.

Холодопроизводительность системы охлаждения должна быть не меньше этой величины. Кроме того, системы охлаждения характеризируются габаритно-массовыми характеристиками, которые в основном и определяют габариты, массу и энергопотребление ТВП.

1.4 Индикаторы излучения

В качестве индикаторов-преобразователей электрических сигналов в световые в ТВП и АТА используются светодиоды, светодиодные линейки и ЭЛТ, как с электростатическим, так и с электромагнитным отклонением.

Основные параметры светодиодных линеек «Д-11», «Д-64А» и «Д-64Б» приведены в табл.З Топология линеек: шаг 0,1 мм, размер элемента:

ас х ак = 0,05 * 0..05 мм

В качестве индикаторов излучения используются: для носимых ТВП - ЭЛТ с электростатическим отклонением «Колючка», в возимых приборах - кинескопы типа 10ЛК1Б.

1.5 Способы формирования изображения

инфракрасный излучение фотоприемник изображение

Принцип формирования изображения телевизионного растра определяется выбранным сканирующим устройством, которое определяет функциональную и принципиальную оптическую схему ТВП и АТА.

В ТВП и АТА с высоким угловым и температурным разрешением используются многоэлементные фотоприемники. В зависимости от того, каким образом просматривается поле предметов многоэлементным приемником (элементы фотоприемника просматривают различные участки местности одновременно или каждый элемент местности просматривается несколькими элементами приемника), говорят о параллельном или последовательном сканировании.

Параллельное сканирование используется и носимым и переносных ТВП, последовательное - в возимых ТВП и АТА.

При параллельном сканировании для заполнения промежутков между строками используется чересстрочная развертка. Как правило, в приборах такого класса сканирование осуществляется с помощью качающегося зеркала (по одной координате или двум).

При сканировании по донной координате сканер осуществляет развертку по строкам, при этом чересстрочная развертка осуществляется поворотной (на один элемент разложения) пластиной.

При сканировании по двум координатам сканирующее зеркало после первой развертки по строкам осуществляет разворот по кадру на ширину одной строки, заполняя чересстрочность в конце второго полукадра, затем возвращается по кадру в исходное положение и сканирование продолжается.

Параллельное сканирование по двум координатам в сходящемся пучке заложено в основу построения модульных ТВП США типа AN/TAS-4, AN/PAS-7, AN/VSG.

Сканирование по строкам при помощи качающегося зеркала, в параллельном пучке лучей с последующей чересстрочной разверткой, в сходящемся пучке лучей с помощью плоскопараллельной пластинки используется в ТВП «AGA-110».

В переносных наблюдательных и прицельных приборах для уменьшения габаритов и массы используют сканирование в сходящихся лучах. К приборам этого класса предъявляются довольно жесткие требования по температурному и угловому разрешению при достаточно широком поле зрения. Например, прицел «Мира-2» (Англо-Франко-Германской фирмы TRT) при элементарном поле зрения 0,175 -- КЗ " ряд имеет поле зрения 3 х 6°.

В какой-то мере аналогом этого прицела является один из отечественных прицелов. При элементарном поле зрения 0,25 * 10“3 рад он имеет поле зрения 2,8 -- 5,6°.

Для обеспечения высокого углового разрешения используются сканеры с высоким КПД сканирования по строке и кадру. Для развертки изображения по кадру применяют качающиеся зеркала, для развертки по строке - вращающиеся многогранные призмы.

В отечественных приборах применяются разнонаклонные многогранные призмы, причем сканирование осуществляется в сходящихся пучках (рис.З). Растр при использовании таких сканеров формируется из нескольких приемников, каждая зона содержит число строк, равное числу элементов приемника. Чтобы не было помех от чересстрочное™, применяются фотоприемники двухрядным шахматным расположением элементов. Для снижения неравномерности растра в приборах используется 2- и 4-кратное переналожение полей со сдвигом каждого следующего поля на 0.5; 1,5 строки. Недостатком сформированного таким образом растра является неравномерная яркость в местах «сшивки» зон.

2. Габаритно-энергетический расчет ночного наблюдательного прибора для спасательного вертолета

В качестве исходных данных для расчёта ТВП используются следующие параметры:

- угол обзора 2вc х 2вk = 12° х 9° = 0.2094 х 0,1571рад;

- спектральный рабочий диапазон ? л =8...14 мкм;

- дальность действия D=1000 м;

- угол визирования у=0 °;

- объект -- человек (/ х h = 1,8 х 0.5м2);

- задача -- определение формы;

- разность температур объекта и фона ?Т = 4К;

- температура фона Т=300 К;

- температура воздуха tв=20 °С\

- метеорологическая дальность видимости SM=15 км;

- относительная влажность воздуха / = 70%;

- коэффициент излучения объекта Јo6 = 0,9;

- коэффициент излучения фона Ј = 0,95 ;

- вероятность решения задачи наблюдения Р=0,7;

-- объект на открытой местности в безоблачную погоду;

- частота кадров F=25 Гц;

- коэффициенты использования развертки µc = µk = 0,9;

- степень неоднородности фона средняя.

Параметры фотоприемника:

удельная обнаружительная способность в максимуме

D*m =4*1010CM*ГЦ1/2/Вт

- размер элемента а=50-10'бм;

- интегральная чувствительность S?=3-104 В/Вт;

- число элементов R=32;

- постоянная времени ?фп = 10-8с;

- относительная спектральная чувствительность S(л) (рис.8);

Параметры оптической схемы;

- максимально допустимое фокусное расстояние fm=0.5 м;

- число преломляющих и отражающих поверхностей ппр=4, потр=6;

- коэффициент экранирования Кэ=0,3;

- ВКУ -- светодиод;

- максимально допустимый диаметр объектива Dom=0,4 м;

- максимальное.число строк в кадре пт=575.

Расчёт.

1 Для заданной задачи наблюдения, сила фона и квалификации оператора устанавливаем значение критерия Джонсона С и показателя степени неоднородности фона N0.

С -- критерий Джонсона, равный

1-- при обнаружении объекта

1,4-- при определении формы или ориентации объекта

С = 4-- при классификации

6.4 -- при идентификации

No -- коэффициент, учитьшаюший степень тепловой неоднородности

фона, равна

1-- для фона со слабой степенью неоднородности

N0 2-- со средней

4 -- с сильной

В нашем случае C=l,4, N0=2.

2 Для выбранной вероятности Р решения данной задачи наблюдения и

найденных С и N0 рассчитываем N:

N = 1,2 * С * N0 = 1,2 * 1,4 * 2 = 3,7;

3 Для температуры воздуха te=20°C устанавливаем по табл. 1 значение абсолютной влажности в состоянии насыщения W0 =17г/м3 и далее значение абсолютной влажности воздуха W при заданной относительной влажности f.

tв , oC	-10	-5	0	5	10	15	20	25	30
W0,г/м3	2.4	3.4	4.9	6.8	9.4	13	17	23	30

W= (W0*f)/100=(17*70)/100=11.9 г/м3.

4 Для значения МДВ SM и найденного значения рассчитываем для соответствующего спектрального рабочего диапазона ? л показатели вр , вn рассеяния и поглощения излучения атмосферой на уровне моря по формулам;

вр=(10-3*(1.7-0.35*lnSM))/SM=

вn0=10-3(0.05 + 0.015W=

5 Для заданной высоты носителя Н рассчитываем значение поправочных коэффициентов Кр и Кп

Кр = 1200(1 - ехр(-H/1200))/H;

Кn = 2500(1 - ехр(-H /2500))/H.

Для горизонтальной трассы (Н=0) следует принять КР=Кn=1.

6 Рассчитаем эффективный показатель ослабления излучения атмосферой в

по формуле:

в = вр * Кp + вп0 * Кn = 0,05 * 10'3 * 1 + 0,229 * 10"3 * 1 = 0,279 * 10-3м-1

7 Рассчитаем коэффициент пропускания атмосферы:

ra - exp(-в * D) = exp(-0,279 -10-3- 2000) = 0,57.

8 Для значений разности температур объекта и фона ?Т=4К, коэффициента излучения объекта Јоб=0,9, параметра µ=17K, отвечающего заданному местоположению, ориентации видимой поверхности объекта и состоянию облачности (табл. 2) и коэффициента излучения фона Ј=0,95 вычислим разность радиационных температур объекта и фона ?TR:

Таблица 2

	µ ,К
Местоположение	безоблачно	лёгкая		средняя		сплошная
объекта			облачность	облачность	облачность
	гор	вер	гор	вер	гор	вер	гор	вер
Открытая местность	42	17 '	25	9	15	4	5	2
Лесная поляна	18	А т	15	4	10	3	4	2
Среди деревьев	8	2	5	2	4	2	3	1.5

?TR=Ј*?Т+ µ*(Јоб-Ј)=0.95*4+17*(0.9-0.95)=2.95K

9 Для температуры фона определяем по таблице 3 значение рассчитываем значение л м'

Таблица 3

? л, мкм	дМ0 /дТ, Вт/(м2 *К)
	Т=280К	Т=290К	T=300K	Т=310К
3...5	0.11	0.154	0.21	0.28
8...14	2.15	2.38	2.62	2.86

дМ0/дТ = 2,62Вт/(м2 *К);

л м=2898/T=2898/300=9.66мкм.

10 Используя единую изотермическую кривую У(л / л м) (рис.9) и относительную спектральную чувствительность выбранного фотоприёмника

S(л) (рис, 8), вычисляем коэффициент использования излучения:

Список литературы

1 Овсянников В, А,, Рожин В .В., Рухлядев Ю.В. Габаритно- энергетический расчет тепловизионных приборов и авиационной тепловизионной аппаратуры строчного типа: Методическое пособие для курсового проектирования. Казань: Изд-во Казан. Гос. Ун-та, 2001. 28 с.;

2 Ллойд Дж. Системы тепловидения. - М.: Мир, 1978.;

3 Хадсон Р. ИК системы. - М.:: Мир, 1978.;

4 Иванов В.П. К вопросу о разработке инженерной методики оценки прозрачности атмосферы. - Оптика атмосферы, 1990, №11.;

5 Крискунов Л.З, Справочник по основам ИК техники. - М.: Сов. радио, 19,78 г.;

6 Пароль Н.В. Кинескопы. - М.: Энергия, 1976 г.

Размещено на Allbest.ru

...