Тепловизионный прицел для ПТРК

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

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-n-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:

λ_т=2898 /Т

Так, для температуры  фона Т = 293 К имеем: λ_т = 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^-3А. При тем новых сопротивлениях от 50 до 150 Ом джоулево тепло, выделяемое одной площадкой составляет 1,25 .10^-3Вт.

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, v. 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, общее 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.3 Топология линеек: шаг 0,1 мм, размер элемента:

а_с × а_к = 0,05 • 0,05 мм

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

1.5. Способы формирования  изображения.

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 0,175.10^-3 рад имеет поле зрения 3 × 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.3). 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 расчёт  ночного наблюдающего прибора

В качестве исходных данных для расчёта ТВП  используются следующие параметры:

• поле зрения 2β_с×2β_к = 12^о×9^о = 0,209×0,157 рад;
• спектральный рабочий диапазон ∆λ = 8÷14 мкм;
• дальность действия D = 500 м;
• угол визирования γ = 90^о;
• объект – опора ЛЭП (l×h = 10×3 м²);
• задача - классификация;
• разность температур объекта и фона ∆Т = 3 К;
• температура фона Т = 280 К;
• температура воздуха t_в = 20^о С;
• метеорологическая дальность видимости S_M = 10 км;
• относительная влажность воздуха f = 70 %;
• коэффициент излучения объекта ε_об = 0,875;
• коэффициент излучения фона ε = 0,9;
• местоположение объекта – открытая местность, вертикальная ориентация;
• состояние облачности – безоблачная погода;
• вероятность решения задача наблюдения Р = 0,7;
• частота кадров F = 25 Гц;
• коэффициенты использования развертки η_с = η_к = 0,7;
• степень неоднородности фона - средняя;

Параметры фотоприёмника:

• удельная обнаружительная способность в максимуме D^*_m = 4.10¹⁰
• размер элемента ;
• интегральная чувствительность
• число элементов R = 32;
• постоянная времени

Параметры оптической системы:

• максимально допустимое фокусное расстояние f_m = 0,4 м;
• число преломляющих и отражающих поверхностей n_пр =6, n_отр = 1;
• коэффициент экранирования К_э = 0,3;
• ВКУ – светодиод;
• максимально допустимый диаметр объектива D_0m = 0,4 м;
• максимальное число строк в кадре n_m = 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

N₀ — коэффициент, учитывающий степень тепловой неоднородности фона, равна

1 — для фона со слабой степенью неоднородности

         N₀ = 2— со средней

   4 — с сильной

В нашем случае С=4; N₀=2.

2. Для выбранной вероятности Р решения данной задачи наблюдения и найденных С и N₀ рассчитываем N:

;

 

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

Таблица.1

tв  0С	-10	-5	0	5	10	15	20	25	30
W г/м3	2,4	3,4	4,9	6,8	9,4	13	17	23	30

 

 

 

 

4. Для значения МДВ S_M и найденного значения рассчитываем для соответствующего спектрального рабочего диапазона ∆λ показатели β_ро, β_по ,м^-1 рассеяния и поглощения излучения атмосферой на уровне моря по формулам:

 

 

 

;

 

5. Для заданной высоты носителя Н рассчитываем значение поправочных коэффициентов К_р и К_п :

К_р = 1200(1 - ехр(-H /1200)) / H;

К_п = 2500(1 -ехр(-H/ 2500)) /H;

Для горизонтальной трассы (Н=0) следует принять К_р = К_п=1.

 

6. Рассчитаем эффективный показатель ослабления излучения атмосферой β по формуле:

 

β = β_роКр + β_поКп =89,510^-61+0,22910^-31= 0,318510^-3 м^-1;

 

7. Рассчитаем коэффициент пропускания атмосферы:

 

τ_a = exp(-βD) = exp(-0,318510^-3500) = 0,85;

 

8. Для значений разности температур объекта и фона ∆Т=3К, коэффициента излучения объекта ε_об=0,875, параметра η=17K, отвечающего заданному местоположению, ориентации видимой поверхности объекта и состоянию облачности (табл.2) и коэффициента излучения фона ε=0,9 вычислим разность радиационных температур объекта и фона ∆T_R

 

Таблица.2

 

Местоположение объекта	η, К
	безоблачно		Лёгкая облачность		Средняя облачность		Сплошная облачность
	гор	вер	гор	вер	гор	вер	гор	вер
Открытая местность	42	17	25	9	15	4	5	2
Лесная поляна	18	4	15	4	10	3	4	2
Среди деревьев	8	2	5	2	4	2	3	1.5