Способ создания семейства комплексированных систем наблюдения, распознавания и прицеливания на основе семейства универсальных объективов и комплексированная система
Комплексированная система содержит канал распознавания, включающий двухзеркальный объектив и матричный приемник излучения канала распознавания, и канал обнаружения, включающий объектив канала обнаружения и матричный приемник излучения канала обнаружения. Объектив канала обнаружения размещают внутри зоны центрального виньетирования объектива канала распознавания, которую формируют в конусообразной пустотелой области, образованной потоком излучения, принимаемым двухзеркальным объективом канала распознавания, содержащим главное зеркало, выполненное в виде кольцевого сегмента с выпуклой асферической поверхностью, и апланатический корректор в виде внешнего кольцевого сегмента со сферическим профилем. При этом выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Комплексированная система размещена в сферической оболочке, которая содержит поверхность кольцевой зоны апланатического корректора, защитного окна в виде обтекателя с областью прозрачности от 0,5 до 12 мкм, и устройства крепления матричных приемников. В качестве объектива канала обнаружения использован широкоугольный вариообъектив, прозрачный в областях спектра или от 0,4 до 1,1 мкм, или от 3,2 до 5,6 мкм, или от 7 до 12 мкм, причем диапазон чувствительности в канале распознавания выбирается или в видимой области спектра, или от 3 до 5 мкм, или от 7 до 12 мкм. Обеспечивается увеличение дальностей обнаружения и распознавания при полном устранении параллакса по каждому из каналов при их одновременной работе. 2 н. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил., 4 табл.
Изобретение относится к области приборостроения наблюдательных систем и может быть использовано в самых различных областях науки и техники, в частности для построения комплексированных систем обнаружения и распознавания объектов, в астрономии и дистанционном зондировании поверхности Земли и ее атмосферы из космоса, при построении охранных систем и т.д.
При построении вариообъективов УФ и видимого диапазона для каналов обнаружения в качестве аналогов использовались отечественные объективы, «Уфар-1», «Уфар-2», «Зуфар-1», «Зуфар-2» и «Вариогоир-10» соответственно, а также зарубежный аналог H16Z7516PDC (см. каталоги фирмы Rock-2000 (www.rock2000.com)).
Общеизвестны способы комплексирования каналов обнаружения и распознавания. В качестве прототипа универсального объектива нами использована конструкция комплексированного объектива разработки фирмы Thales Optics для задач построения систем самонаведения ракет (Simple, 2-FOV, 3-Waveband Missile Optic) [1]. В прототипе используется четырехзеркальная узкопольная система, предназначенная для решения задач распознавания.
Недостатком схемных решений прототипа являются:
- Режим широкоугольного наблюдения в прототипе обеспечивается сменньм первьм зеркалом объектива (формируется за счет ввода в поток узкопольного объектива, с перекрытием его поля зрения, главного зеркала с другим профилем). Этот объектив формирует фиксированное угловое поле зрения, что не обеспечивает возможности точного наведения на цель приемной системы канала распознавания.
- В качестве первой сборки четырехзеркального объектива каналов обнаружения и распознавания использована известная схема Косегрена, обеспечивающая малые угловые поля зрения, к тому же эта компоновка не является высокосветосильной оптической системой. Найденное схемное решение пригодно только для решения задач самонаведения и не позволяет расширить схемные решения на задачи создания семейств объективов, с целью обеспечения всего типоряда обзорно-поисковых и наблюдательных систем, а именно:
| Табл.1 | |
| №п/п | Тип комплексированных систем |
| 1 | носимые системы наблюдения |
| 2 | возимые системы наблюдения |
| 3 | бортовые системы наблюдения |
| 4 | стационарные системы наблюдения |
Целью изобретения является увеличение дальностей обнаружения и распознавания при полном устранении параллакса по каждому из каналов при их одновременной работе.
Поставленная цель по созданию базовой компоновки объективов каналов обнаружения и распознавания, обеспечивающей безпараллаксный прием достигнута тем, что в качестве основного узла объектива выбран канал обнаружения в виде вариообъектива с подвижными элементами. Общая компоновка вариообъектива с защитным корпусом далее размещается в теневой зоне центрального виньетирования двухзеркального особо светосильного узкопольного объектива канала распознавания. Возможность размещения вариообъектива в теневой зоне зеркального объектива обеспечивается за счет особой конструкции двухзеркального объектива, представляющего собой объемную сборку главного зеркала, выполненного в виде кольцевого асферического сегмента, а внешний глубокий сферический контроотражатель обеспечивает возможность сбора энергии на матричные приемники излучения, при котором лучи образуют кольцевую пустотелую конусную конструкцию с большим углом 2ω сбора энергии (числовая апертура ≥0,5; Dэфф/f=1:0,79).
Сущность изобретения состоит в создании малогабаритной комплексированной системы (фиг.1) с одним или двумя матричными приемниками, работающими в широком диапазоне длин волн (от 0,2 до 1,1 мкм), достигается путем размещения вариообъектива (фиг.2а, б) в теневой зоне двухзеркального объектива распознавания (фиг.3).
Каналы распознавания и наблюдения работают либо в попеременном режиме (схемы 2, фиг.5б), в котором режим перенастройки обеспечивается вводом двух различных диафрагм (блок диафрагм) (фиг.4), которые перекрывают не нужные потоки. Либо в параллельном режиме (схемы 1, 3, фиг.5а, в), при котором оба съюстированных режима обнаружения и распознавания осуществляются путем пространственного разнесения потоков каналов обнаружения и распознавания на самостоятельные приемники излучения с помощью зеркал и светоделителей на два и более матричных приемника излучения.
При использовании вариообъектива, работающего с видимым и ближним ИК-диапазонами излучения (0,4-1,1 мкм) данная система может быть использована для различных задач, таких как - наблюдение, целеуказание, наведение. При использовании вариообъектива, работающего с УФ-диапазоном излучения (0,2-0,4 мкм) данная система может быть использована для задач, связанных со спектрометрическими измерениями земной поверхности, атмосферы или околоземного пространства.
При построении двухзеркальных объективов каналов распознавания использована оригинальная методика, базирующаяся на патенте РФ №21556979 [2], изобретении на известную комплексированную систему SU 8555408 А, 25.08.1981, а также на статье [3].
Все вышеуказанное позволило построить как самостоятельные объективы каналов обнаружения и каналов распознавания для комбинированных систем наблюдения, а также, учитывая возможность их сочленения, предложить семейство универсальных (сочленяемых) объективов для построения комплексированных систем наблюдения, распознавания и целеуказания.
Ссылка патентного эксперта на оптико-электронное устройство с оптическим визиром (см. Описание изобретения к авторскому сидетельству SU 8555408 А), как на наиболее близкий аналог схемы построения универсальных объективов на наш взгляд дает возможность авторам настоящей заявки выдвинуть следующие аргументированные возражения:
- несмотря на некоторое сходство схемных решений объективов, устройства по изобретению SU 8555408 А и объективов предлагаемых комплексированных систем, сравниваемые схемы отличаются как по достигаемым целям, так и по принципам построения двухзеркального объектива.
- Оптическое устройство изобретения SU 8555408 А предназначено для измерения энергетических характеристик электромагнитного излучения в ультрофиалетовой, видимой и инфракрасной области спектра, а предлагаемое семейство универсальных (сочленяемых) объективов предназначено для построения комплексированных систем обнаружения и распознавания объектов. Другими словами, по изобретению SU 8555408 А двух зеркальный объектив изобретения - анаберрационная оптическаяя система, собирающая энергию в точку на оси (одноэлементный приемник излучения), а двухзеркальный объектив предлагаемых универсальных объективов - сверхсветосильная высококачественная система формирования изображений на многоэлементных матричных приемниках излучения (апланатическая оптическая система).
- Достигается поставленная цель за счет введения на приемной выпуклой поверхности объектива асферики высокого порядка, в то время как в изобретении SU 8555408 А основной объектив выполнен в виде двух сферических зеркал с центральными отверстиями,
- задача сочленения объективов в отличие от известных принципов по положительному решению SU 8555408 А, 25.08.1981 решена за счет выбора (на этапе геометрического моделирования типоряда комплексированных систем) принципов компановки анаберрационных двухзеркальных систем по уравнениям патента РФ №21556979 и статьи [3], а при окончательном моделировании - за счет соблюдения выведенных авторами патента требований к параметрам объективов (1)...(3) и внесения асферики высокого порядка на выпуклой поверхности объектива канала распознавания.
В результате вариообъектив канала обнаружения без виньетирования основных потоков двухзеркального объектива встраивается в конструкцию объектива канала распознавания с союстировкой оптических осей обоих каналов. Такая конструкция обеспечивает безпараллаксный прием как на один, так и на множество матричных приемников излучения (при вынесении световых потоков вариообъектива во внешнюю зону двойного конуса лучей объектива распознавания с помощью зеркал или светоделительных пластин).
Реализация предложенного выше способа создания семейства универсальных объективов возможна при соблюдении требования к параметрам объективов каналов обнаружения, определяемого соотношением
где S' - задний отрезок (мм);
D* - диаметр первой линзы вариообъектива с оправой (мм).
Таким образом, предложенный способ создания универсальных объективов заключается в том, что для построения типоряда приемных систем комплексированных приборов наблюдения выбирают парные сборки:
- двухзеркальный объектив с главньм асферическим зеркалом выпуклой формы и внешним апланатическим корректором сферической формы, обеспечивающих соотношение 
Варио- или широкоуголный объектив обеспечивающий соотношения
где 
- диаметр первой линзы вариообъектива с оправой;
Dвнут.з.о. - внутренний диаметр кольцевого главного зеркала объектива канала распознавания;
S' - задний отрезок варио- или широкоугольного объектива.
При этом обеспечение беспараллаксного режима работы канала обнаружения и канала распознавания осуществляется либо путем попеременного приема на один матричный приемник потоков от вариообъектива или зеркального узкопольного объектива, при котором режим перестройки обеспечивается вводом диафрагм кругового или кольцевого типов (см. фиг.4), либо в параллельном режиме, при котором оба съюстированных объектива формируют изображения на собственных матричных приемниках. Для соблюдения условия безпараллаксного формирования изображений в каждом канале юстировка осуществляется за счет сохранения неизменными по величине задних отрезков S' вариообъектива как в режиме последовательного приема потоков излучения на один матричный приемник, так и в параллельном режиме, в котором пространственное разнесение потоков каналов на собственные матричные приемники осуществляется с помощью зеркал или светоделителей (либо спектроделителей в задачах спектрофотометрии).
Качество изображения и энергетические характеристики для канала обнаружения и канала распознавания обеспечиваются с помощью традиционных для оптики методов расчетов по каждому каналу раздельно.
| Табл.2 | |||||||
| Полихроматическая ОПФ (реальная система) | |||||||
| f'=7,5 | f'=120 | ||||||
| Поле: Wy=19 Ws=0 (град) | Поле: Wy=l Ws=0 (град) | ||||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||||
| 0 | 90 | 0 | 90 | ||||
| 10.0 | .901 | .921 | 10.0 | .875 | .910 | ||
| 20.0 | .727 | .837 | 20.0 | .719 | .782 | ||
| 30.0 | .559 | .759 | 30.0 | .596 | .689 | ||
| 40.0 | .460 | .697 | 40.0 | .526 | .652 | ||
| 50.0 | .425 | .658 | 50.0 | .448 | .630 | ||
| Поле: Wy=28 Wz=0(град) | Поле Wy=2 Wz=0(град) | ||||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||||
| 0 | 90 | 0 | 90 | ||||
| 10.0 | .571 | .925 | 10.0 | .712 | .856 | ||
| 20.0 | .606 | .826 | 20.0 | .636 | .695 | ||
| 30.0 | .322 | .730 | 30.0 | .498 | .610 | ||
| 40.0 | .413 | .655 | 40.0 | .427 | .567 | ||
| 50.0 | .311 | .592 | 50.0 | .344 | .492 | ||
| Табл.3 | |||||||
| Полихроматическая ОПФ (реальная система) | |||||||
| f'=10 | f'=100 | ||||||
| Поле: Wy=0 Wz=0 (град) | Поле: Wy=0 Wz=0 (град) | ||||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||||
| 0 | 45 | 90 | 0 | 45 | 90 | ||
| 10.0 | .880 | .889 | .880 | 10.0 | .914 | .926 | .914 |
| 20.0 | .754 | .766 | .754 | 20.0 | .820 | .836 | .820 |
| 30.0 | .719 | .724 | .719 | 30.0 | .784 | .792 | .784 |
| 40.0 | .667 | .666 | .667 | 40.0 | .767 | .773 | .767 |
| 50.0 | .598 | .601 | .598 | 50.0 | .725 | .734 | .725 |
| Поле:Wy=21.7 Wz=0 (град) | Поле: Wy=1.9 Wz=0 (град) | ||||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||||
| 0 | 45 | 90 | 0 | 45 | 90 | ||
| 10.0 | .780 | .836 | .889 | 10.0 | .673 | .685 | .713 |
| 20.0 | .527 | .612 | .820 | 20.0 | .547 | .513 | .580 |
| 30.0 | .411 | .429 | .749 | 30.0 | .456 | .465 | .561 |
| 40.0 | .338 | .332 | .709 | 40.0 | .397 | .423 | .487 |
| 50.0 | .226 | .283 | .682 | 50.0 | .363 | .382 | .402 |
В табл.4 приведены основные характеристики узкопольного светосильного двух-зеркального объектива для систем распознавания (фиг.3).
| Табл.4 | |||||||
| Полихроматическая ОПФ (реальная система) | |||||||
| Поле: Wy=0 Wz=0 (град) | Поле: Wy=.25 Wz=0 (град) | ||||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||||
| 0 | 90 | 0 | 90 | ||||
| 60.0 | .815 | .815 | 60.0 | .786 | .801 | ||
| 70.0 | .801 | .801 | 70.0 | .766 | .783 | ||
| 80.0 | .788 | .788 | 80.0 | .745 | .764 | ||
| 90.0 | .772 | .772 | 90.0 | .724 | .745 | ||
| 100.0 | .756 | .756 | 100.0 | .704 | .724 | ||
| 110.0 | .739 | .739 | 110.0 | .683 | .704 | ||
| 120.0 | .721 | .721 | 120.0 | .663 | .683 | ||
| 130.0 | .704 | .704 | 130.0 | .644 | .663 | ||
| 140.0 | .688 | .688 | 140.0 | .625 | .644 | ||
| Поле: Wy=.5 Wz=0 (град) | Поле: Wy=.75 Wz=0 (град) | ||||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||||
| 0 | 90 | 0 | 90 | ||||
| 60.0 | .660 | .705 | 60.0 | .514 | .566 | ||
| 70.0 | .615 | .663 | 70.0 | .465 | .500 | ||
| 80.0 | .579 | .624 | 80.0 | .421 | .444 | ||
| 90.0 | .546 | .588 | 90.0 | .380 | .395 | ||
| 100.0 | .515 | .552 | 100.0 | .341 | .352 | ||
| 110.0 | .486 | .519 | 110.0 | .304 | .314 | ||
| 120.0 | .459 | .487 | 120.0 | .269 | .280 | ||
| 130.0 | .433 | .456 | 130.0 | .235 | .250 | ||
| 140.0 | .410 | .428 | 140.0 | .204 | .224 |
Возможность масштабирования подобия базовой сборки двухзеркального узкопольного объектива иллюстрируется данными табл. 5.
| Табл.5 | |||||
| Диаметр 2d0=80 мм | Диаметр 2d0=160 мм | ||||
| Поле: Wy=0 Wz=0 (град) | Поле: Wy=0 Wz=0 (град) | ||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||
| 0 | 90 | 0 | 90 | ||
| 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 | .815 .801 .788 .772 .756 .739 .721 .704 .688 | .815 .801 .788 .772 .756 .739 .721 .704 .688 | 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 | .784 .750 .720 .692 .673 .655 .637 .619 .603 | .784 .750 .720 .692 .673 .655 .637 .619 .603 |
| Поле: Wy=.5 Wz=0 (град) | Поле: Wy=.5 Wz=0 (град) | ||||
| Частота 1/мм | Сечение | Частота 1/мм | Сечение | ||
| 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 | .660 .615 .579 .546 .515 .486 .459 .433 .410 | .705 .663 .624 .588 .552 .519 .487 .456 .428 | 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 | .480 .437 .395 .351 .316 .288 .264 .242 .221 | .521 .474 .425 .380 .339 .302 .270 .243 .219 |
В качестве приемных элементов для построения устройств предполагается использовать высокочувствительный кремниевый матричный приемник с расширенным спектральным диапазоном 0,2-1,1 мкм и числом приемных элементов 1000×1000. Наиболее приемлемой для этих задач матрицей является ПЗС типа:
- ТС281,1036×1010-PIXEL CCD IMAGE SENSOR (или ТС217,1158×488).
Внутренняя структура конкретных устройств в основном обусловлена выбором материала защитного окна (обтекателя) и типом (областью прозрачности) объективов канала обнаружения.
При выборе, также как и в прототипе, в качестве защитного окна материала, прозрачного в областях видимого диапазона /3-5 мкм/8-12 мкм (в отечественной промышленности это материалы керамики ПО-4 и кристалла LiFt), можно предложить компоновку устройства 1 (см. фиг.5,а). В этом устройстве конструкция обтекателя является гармоничным продолжением сферы апланатического корректора. В результате чего вся конструкция комплексированной системы устройства 1 может быть гармонично заключена в сферическую оболочку. Это важное достоинство универсальной конструкции по устройству 1 найдет широкое применение в вертолетных, самолетных и спутниковых системах наблюдения и прицеливания. Особое место эта конструкция должна занять в ряду систем дистанционного мониторинга, устанавливаемых на малые, микро-, нано- и пикоспутники 3-го - 6-го поколений. Схема объектива распознавания с углами поля зрения 0...1.5° в этом устройстве выбирается в соответствии с формулой способа, а в качестве широкоугольного объектива в данном устройстве 1 может быть непосредственно использован малогабаритный инфракрасный вариообъектив (Euclid 3-5μim Low-mass Infrared Zoom Lens, также фирмы Thales Optics [1] с диапазоном перестройки поля зрения 5°-13°. Область прозрачности объектива 3-5μm.
В результате построения такой схемы комплексированная система по устройству 1 обеспечит возможность создания обзорно-поисково-прицельного комплекса, в котором обнаружение осуществляется в области прозрачности атмосферы 3,2-5,6 мкм.
В обзорном канале могут быть использованы как неохлаждаемые, так и охлаждаемые матричные приемники, чувствительные в диапазоне 3-5 мкм. Режим распознавания в устройстве 1 в этом случае может быть выбран в любом диапазоне области прозрачности защитного окна (обтекателя). Наиболее вероятны в этом канале применения высокоразрешающих кремниевых ПЗС матриц типа ТС-281 на область 0,5...1,1 мкм или охлаждаемых KRTe и Ge-Hg матрицы на область чувствительности 3...5 мкм и 7...12 мкм.
При использовании в качестве объективов каналов обнаружения широкоугольных и вариообъективов видимого и УФ-диапазонов мы приходим к построению семейства устройств 1-4 (фиг.5,а - 5,г).
Использование предлагаемого способа устраняет потери принимаемой от объектов энергии при их разнесении по каналам обнаружения и распознавания. Этот эффект достигается за счет устранения светоделительных пластин, применяемых обычно при построении объективов комплексированных систем обнаружения и распознавания.
Одновременно достигается удобная и универсальная компоновка всех приемных каналов и общего защитного окна в виде сферической конструкции, что особо важно при использовании комплексированных систем наблюдения на носителях с высокими скоростями движения относительно неподвижных сред (вертолетные, самолетные, спутниковые системы, а также подводные системы движения).
Кроме того, использование в качестве объектива канала распознавания высокосветосильной двухзеркальной системы (отн. отв. <1:0.8) существенно увеличивает дальности распознавания объектов.
Источники информации
1. www.thales-optics.co.uk/capabilities/optical_mech.htm (прототип).
2. «Способ создания двухзеркальных анаберрационных и апланатических систем с главным зеркалом в виде сегмента сферы» Мельников Г.С., Ган М.А., Попов А.С. (Патент на изобретение №2155979 по заявке №98114691/28, приоритет от 21.07.1998 г. Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарньм знакам №11, 1999 г. Патентообладатель Всероссийский научный центр «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»
3. Мельников Г.С., Попов А.С. «Двухзеркальные оптические системы с многократным отражением от главного сферического зеркала». Оптический журнал. Том 66, №7, 1999 г.
1. Способ создания семейства комплексированных систем обнаружения и распознавания, основанный на принципе раздельного или одновременного приема излучений в каналах обнаружения и распознавания, при котором объектив канала обнаружения размещают внутри зоны центрального виньетирования объектива канала распознавания, отличающийся тем, что зону центрального виньетирования объектива канала распознавания формируют в конусообразной пустотелой области, образованной потоком излучения, принимаемым двухзеркальным объективом канала распознавания, содержащим главное зеркало, выполненное в виде кольцевого сегмента с выпуклой асферической поверхностью, и апланатический корректор в виде внешнего кольцевого сегмента со сферическим профилем, при этом обеспечивают выполнение соотношений
,
где 
- относительное отверстие объектива канала распознавания;
где S' - задний отрезок объектива канала обнаружения, мм;
D* - диаметр первой линзы с оправой объектива канала обнаружения, мм;
D* < Dвнут.з.о.,
где Dвнут.з.о. - внутренний диаметр кольцевого главного зеркала объектива канала распознавания.
2. Комплексированная система обнаружения и распознавания для систем наблюдения, прицеливания и дистанционного мониторинга, отличающаяся тем, что содержит канал распознавания, включающий двухзеркальный объектив в виде кольцевого сегмента главного зеркала с выпуклой асферической поверхностью и апланатического корректора и матричный приемник излучения канала распознавания, и канал обнаружения, включающий объектив, расположенный в конусообразной пустотелой области, образованной потоком излучения, принимаемым объективом канала распознавания, и матричный приемник излучения канала обнаружения, причем конструкция комплексированной системы размещена в сферической оболочке, которая одновременно несет в себе поверхность кольцевой зоны апланатического корректора канала распознавания, защитного окна, представляющего собой обтекатель с областью прозрачности от 0,5 до 12 мкм, и устройства крепления матричных приемников излучения каналов обнаружения и распознавания, а в качестве объектива канала обнаружения использован широкоугольный вариообъектив, прозрачный в областях спектра или от 0,4 до 1,1 мкм, или от 3,2 до 5,6 мкм, или от 7 до 12 мкм, причем диапазон чувствительности в канале распознавания выбирается или в видимой области спектра, или от 3 до 5 мкм, или от 7 до 12 мкм.
3. Комплексированная система по п.2, отличающаяся тем, что в каналах обнаружения и распознавания используется один и тот же матричный приемник излучения и введено электромеханическое устройство смены полевых диафрагм кругового или кольцевого типов для попеременного включения режимов обнаружения и распознавания, при этом в качестве объектива канала обнаружения используется вариообъектив с углами поля зрения 4...58° с областью прозрачности от 0,5 до 1,1 мкм.
4. Комплексированная система по п.3, отличающаяся тем, что в электромеханическое устройство смены полевых диафрагм устанавливается зеркало, обеспечивающее вывод выходного потока канала обнаружения на самостоятельный матричный приемник излучения.
