Оптическая система многоспектральной моноапертурной оптико-локационной станции самолета с динамической стабилизацией осей функциональных каналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Червонкин, Александр Петрович

• Червонкин, Александр Петрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Червонкин, Александр Петрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптическая система многоспектральной моноапертурной оптико-локационной станции самолета с динамической стабилизацией осей функциональных каналов»

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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Червонкин, Александр Петрович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Червонкин, Александр Петрович, 2006 год

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