Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

контраст &пор зависит от яркости фона и угловых размеров объ­ екта. При малых яркостях и малых угловых размерах объекта для обнаружения требуется больший контраст объекта с фоном. Экспериментальная зависимость порогового контраста от ярко­ сти фона и угловых размеров объекта приведена на рис. 8.15.

Возможность обнаружения источника зависит также от его яркости, формы, времени наблюдения и вероятности обнаруже-

ния. Зависимость пороговой яркости источника на темном фоне от его угловых' размеров при неограниченном времени наблюде­ ний показана на рис. 8.16. Кривая дает усредненные значения по данным большого числа исследователей. Из графика видно, что на темном фоне пороговая яркость при небольших угловых раз­ мерах объекта должна быть 10~6—10-8 сб. Так как эти данные получены в лабораторных условиях при неограниченном време­ ни наблюдения, то очевидно, что в полевых условиях для визу­ ального обнаружения неизвестных объектов реальная пороговая яркость должна быть в десятки раз больше. Сравнивая эти дан­ ные со значениями табл. 8.1, можно сделать вывод, что в без­ лунную ночь освещенность оказывается совершенно недостаточ­ ной для наблюдения и обнаружения наземных объектов. Необхо-

226

Г л а в а IX. ОБНАРУЖЕНИЕ И ЛОКАЦИЯ. УПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

§ 9.1. П Р И Н Ц И П Ы УСТРОЙСТВА ИК - ПРИБОРОВ

ОБН АРУЖЕНИЯ И ТЕПЛ ОЛОКАЦИ И

Кроме приборов ночного видения, основанных на приеме и преобразовании отраженного инфракрасного излучения в види­ мое, широкое применение получили теплопеленгационные при­ боры. Эти приборы предназначены для обнаружения и пеленга­ ции. т. е. определения угловых координат обнаруженных объ­ ектов (предметов) за счет использования их собственного тепло­ вого (инфракрасного) излучения.* Таким образом, теплопеленга­ ционные приборы одновременно обнаруживают отдельные нагре­ тые предметы (объекты) и определяют их местоположение в про странстве.

1. Структурные схемы теплопеленгационных приборов

Теплопеленгациониый прибор принимает тепловое излучение и преобразовывает его в электрические сигналы, позволяющие фиксировать положение обнаруженного объекта. Эти сигналы или преобразуются в видимое глазом изображение объекта, или поступают на регистрирующий прибор. Отсюда вытекает две структурные схемы теплопеленгационных приборов:

1)с электроннолучевым индикатором или электронно-оптиче­ ским преобразователем, на экране которых наблюдается светя­ щееся изображение обнаруженного объекта;

2)с электрическим (электронным) устройством, фиксирую­ щим и преобразующим определенным образом электрические сигналы, пропорциональные угловым координатам обнаружен­ ного объекта.

Возможна и третья схема, обеспечивающая одновременное визуальное наблюдение изображения объекта и фиксацию его положения в виде электрических сигналов. Приборы, выполнен­ ные по первой и третьей схемам, получили название теплопеленгаторов, а приборы, сконструированные по второй схеме,— теп­ ловых приборов управления различными объектами. Независимо от схемы построения для всех трех типов теплопеленгационных приборов обязательным является обнаружение и определение координат объектов.

На рис. 9.1 приведены структурные схемы теплопеленгацион­ ных приборов различного назначения. Независимо от назначе­ ния теплопеленгациониый прибор состоит из оптической систе­

229

мы 1, анализатора, или модулятора 2, приемника излучения Зг усилителя 4, разделительного устройства 5 и индикаторного бло­ ка 6.

Оптическая система обеспечивает улавливание теплового из­ лучения предмета и его фокусирование.

Приемник излучения преобразует падающую на него лучи­ стую энергию в электрические сигналы.

Uz

5)

Рис. 9.1. Структурные схемы теплопеленгационных приборов:

а— теплопеленгатора; б—прибора управления; У—оптическая система;

Усилитель служит для усиления слабых электрических сигна­ лов (фототоков), снимаемых с приемника излучения, до вели­ чин, достаточных для срабатывания исполнительных органов.

Разделительное устройство служит для преобразования вы­ ходных сигналов усилителя в напряжения Uv и Uz (токи), про­ порциональные угловым координатам теплового изображения предмета в фокальной плоскости оптической системы по курсу и

тангажу.

Анализатор предназначен для анализа просматриваемой плос­ кости (поля зрения) и модуляции теплового излучения.

Конструктивно все эти элементы объединяются в единое уст­ ройство, называемое координатором.

2. Анализаторы поля зрения

Анализатор является одним из основных элементов любого геплопеленгационного прибора. Он выполняет три задачи:

230

—последовательно просматривает поле зрения прибора в ■фокальной плоскости;

—анализирует попадающие в поле зрения теплоизлучающие предметы и фильтрует их от фонов (земли, облаков);

—• модулирует тепловой поток.

Анализатор представляет собой плоский тонкий диск в виде «руга или квадрата. Иногда анализатор выполняют в форме цилиндра, части сферы или конуса. Материалом диска может служить металл, пластмасса или стекло. Если материал диска не прозрачен для инфракрасного излучения, то в нем делают вырезы специальной формы (рис. 9.2, а, е); на прозрачном для инфракрасных лучей материале наносят полосы, не пропускаю­ щие тепловое излучение (см. рис. 9.2, б, в, г, д). Чередование прозрачных и непрозрачных полос (участков) диска называется растром. Форма растра может быть самой разнообразной. Наи­ более часто применяют спиральные, радиальные, концентриче­ ские, в виде шахматной доски и смешанные.

Периодически перекрывая изображение предмета, растр мо­ дулирует тепловое излучение. Отсюда и произошло название «модулирующий диск». Рассмотрим действие некоторых модули­ рующих дисков с наиболее известными и простыми растрами.

Р а с т р в в ид е с п и р а л ь н о й щ е л и (см. рис. 9.2, а). Ширина щели спирали равна половине диаметра изображения источника излучения в плоскости диска. В центре диска имеется вырез, по диаметру равный изображению. Когда изображение источника находится в центре, вся энергия его попадает на при­ емник, с выхода которого снимается импульс фототока (напря­ жения) постоянной величины. Независимо от угла поворота дис­ ка величина этого импульса не меняется (кривая /). Модуляция потока в этом случае отсутствует. При смещении изображения от центра пропускание падает до нуля, а при повороте диска на некоторый угол а возрастает до 50% в момент пересечения спи ральным вырезом изображения (кривая 2). На выходе приемни­ ка появляется короткий импульс фототока (напряжения). Фаза (время) следования импульсов будет зависеть от положения изо­ бражения в фокальной плоскости. Такой вид модуляции назы­ вается время-импульсной модуляцией. Глубину модуляции мож­

ных полос уменьшается и становится меньше диаметра изобра­ жения. На краях диска ширина прозрачных секторов равна или несколько больше диаметра изображения. В этой области при вращении диска достигается 100%-ная модуляция потока (кри­ вая 1), а величина сигнала, снимаемого с приемника, макси­ мальна. Если скорость вращения диска п об/мин, а число проз-

231

232

■рачных секторов т, то частота модуляции может быть опреде­ лена по формуле

т. е. глубина модуляции (кривая 2). При совпадении изображе­ ния с центром диска модуляции не происходит и сигнал отсут­ ствует. Эта часть диска называется мертвой зоной. Таким обра­ зом, изменение глубины модуляции в зависимости от положения изображения может использоваться для определения координат объекта при постоянной силе его излучения.

К о н ц е н т р и ч е с к и й р а с т р (см. рис. 9.2, в). Растр обра­ зован чередующимися прозрачными и непрозрачными концентри­ ческими кольцами. Ширина колец равна половине диаметра изо­ бражения. В этом случае при вращении диска облученность при­ емника будет постоянной и равной половине максимальной. Этот эффект используется для исключения модуляции потоков излуче­ ния от крупных объектов типа облаков, равномерного фона и т. д. Концентрический растр применяется в сочетании с другими ти­ пами растров (см. рис. 9,2, г) для исключения влияния фона при определении координат объектов.

Р а д и а л ь н о - к о н ц е н т р и ч е с к и й р а с т р (см. рис. 9.2, г). Когда изображение пересекается концентрической частью растра, модуляция потока отсутствует. При повороте диска на угол ффаз= 90° изображение пересекается радиальной частью ра­ стра, происходит модуляция потока и появляется сигнал. По амплитуде этого сигнала можно судить о радиальном смещении изображения. Угловое перемещение относительно одной из осей можно определить по фазе начала модуляции срфаз. Отсюда сле­ дует, что модулирующий диск наряду с модуляцией излучения служит и для получения информации о направлении и величине отклонения объекта от оси диска.

Если в поле зрения попадает объект с большой площадью (облако, нагретый фон земли, воды и т. д.), то в фокальной плос­ кости он будет изображен в виде размытого пятна, диаметр ко­ торого в несколько раз превысит ширину прозрачных секторов радиального растра. Тепловое излучение таких объектов растром модулироваться не будет. Объясняется это тем, что верхняя и нижняя половины диска имеют одинаковое соотношение проз­ рачных и непрозрачных полос. Изображение объектов большой протяженности, одновременно проектируясь через обе половины

состоит из прозрачных и непрозрачных квадратов, расположен­

233

ных в шахматном порядке. Размер каждого квадрата соизмерим с величиной кружка рассеяния оптической системы, т. е. с раз­ мером изображения точечного предмета.

Если в процессе просмотра поля зрения по растру проходит изображение точечного объекта, приемник вырабатывает серию импульсов частотой f. Фаза серии импульсов частотой f зависит от положения изображения в фокальной плоскости оптической системы. Перемещение изображения в фокальной плоскости из­ меняет время его нахождения в пределах растра. Фиксируя из­ менения длительности серии импульсов, можно определить ко­ ординаты изображения.

Недостатком рассмотренных типов растров является потеря 50% энергии излучения при модуляции вследствие наличия не­ прозрачных секторов.

П о л у к р у г о в о й растр . Для увеличения коэффициента использования излучаемой энергии применяют модуляторы, по­ добные изображенному на рис. 9.2, е. При вращении такого мо­ дулятора в течение полуоборота энергия излучения полностью попадает на приемник; затем изображение перекрывается и сиг­ нал исчезает. Фаза сигнала определяет положение изображения.

3. Координаторы

Чтобы определить назначение координатора и понять его уст­ ройство, рассмотрим положение какого-либо теплоизлучающего объекта в пространстве относительно осей х, у, z теплопеленгационного прибора (рис. 9.3, а).

Рис. 9.3. Схема координат, определяющая положение объекта П:

п—з пространстве; б—>в фокальной плоскости оптической системы; в—относительное по­ ложение объекта и его изображения

234

Положение объекта П относительно оси х может быть опре­ делено его координатами у и z или углом фрао. Угол между осью .Vтеплопеленгационного прибора или каким-либо заданным направлением и линией прибор — объект называется углом рас­ согласования фрас; плоскость, образованная этим углом ( П О $ 2), называется плоскостью рассогласования. Составляющие углы рассогласования на горизонтальную и вертикальную плоскости дадут угол места фраер и угол азимута фрасг (угол тангажа и курсовой угол соответственно, если прибор расположен на само­ лете, вертолете или другом носителе). Определив с помощью какого-либо устройства угол фрас или его составляющие, найдем положение предмета в пространстве относительно теплопеленга­ ционного прибора.

Устройство, служащее для непрерывного и автоматического определения угла рассогласования или его составляющих, назы­ вается координатором.

Из этого определения следует, что координатор может быть либо теплопеленгатором, если его выходные сигналы подаются в индикаторный блок 6 (см. рис. 9.1, а), либо прибором управле­ ния, если его сигналы поступают в блок управления автоматиче­ ского регулирующего устройства.

В инфракрасных координаторах угол рассогласования фрас и его составляющие фрас у и фрас г в двух взаимно перпендикуляр­ ных плоскостях определяются по положению изображения объ­ екта в фокальной плоскости оптической системы. Действитель­ но, из рис. 9.3, б, в, видно, что каждому положению объекта П в пространстве соответствует определенное положение его изо­ бражения Я[ в фокальной плоскости. Если угол рассогласования равен нулю, то изображение объекта Пi совпадает с точкой О фокальной плоскости (см. рис. 9.3, в), через которую проходит оптическая ось. Эта точка условно называется центром фокаль­ ной плоскости. При появлении угла рассогласования изображе­ ние объекта смещается относительно центра фокальной плоско­ сти на некоторое расстояние г, пропорциональное величине утла рассогласования. Положение радиуса г относительно какой-либо

Принцип действия координатора заключается в том, что ана­ лизатор, последовательно просматривая фокальную плоскость

235