Тепловизионный прицел для ПТРК

Министерство  высшего и профессионального  образования РФ

Казанский государственный  технический университет им А.Н.Туполева

 

Кафедра оптико-электронных  систем и приборов

 

 

 

Курсовая  работа по дисциплине:

«Теоретические  основы и модернизация ИК приборов»

на тему:

«Тепловизионный прицел для ПТРК»

 

 

 

Выполнил студент группы 3504                                                                      

                             (подпись)                                 (Фамилия И.О.)

Руководитель                                             (подпись)                                                  

Оценка               ______

        ___________            (подпись)                            (Фамилия И.О.)

 

        

 

 

Казань 2010

 

Содержание:

1. Общее описание ТВП и АТА
1. Схемы построения и сканирования………………………………………………3
2. Элементная база……………………………………………………………………9
3. Системы охлаждения…………………………………………………………….11
4. Индикаторы излучения…………………………………………………………..12
5. Способы формирования изображения………………………………………….12
2. Габаритно-энергетический расчет тепловизионного прицела для ПТРК…..14
3. Список литературы……………………………………………………………...25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общее описание  ТВП 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, сидящим на одном валу со сканером ИК излучения.

Системы 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.

Системы 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. 1 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-компенсационные  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/VSG-, AGA-110, а также некоторые отечественные ТВП.

В приборах данного типа непаралелльность оптических каналов  определяется уходом оптических осей ИК 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 ИК 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 РЖ и видимого каналов, обусловленная ромб-призмой, 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; 5- призма.

В приборах с совмещением ИК и  видимого каналов (рис.3), 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.

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

 

 

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

 

Рис.4. Функциональная схема  тепловизора с высоким угловым  разрешением: 1- телескоп; 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; 11,12-генераторы строчной и кадровой развертки; 13-генератор  перекрытия; 14-блок питания; 15-видеоконтрольное устройство (ВКУ)

 

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.

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

 

 

Рис. 6. Построчиый просмотр местности с летотельного аппарата.

 

Рис. 5. Функциональная схема  тепловизора

 с врашающейся пирамидой: 1 - пирамида;

2 объектив; 3 - фотштриемяик;

4 - гшектродвигатель jum протяжки пленки;

5 - барабан с объективами; 6 - фотопт.йика;

7 - электродвигатель; 8- усилитель; 9- севетодиоды.

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.

Рис 7. Функциональные схемы  тепловизоров с оптическими схемами  Кеннеди:1- призма; 2 - зеркала; а-плоские. б-параболические; 2'- клин;                    3 - фотоприемник, 4 – электродвигатель; 5 - параболическое зеркало

Схемы, приведенные на рис.5 и 7 (а,б), работают следующим образом. ИК 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,б), 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 AT А 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 —100°С . 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:

R_T - темновое сопротивление, Ом;U_ш — СКО (среднеквадратическое) напряжение шума, снимаемое с затемненного фоторезистора, В;

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

Р₀ = U_ш/S_∑ - пороговый поток - поток излучения, который создает сигнал на фоторезисторе, равный СКО шума, Вт;

D^*_m - удельная обнаружительная способность фоторезистора в максимуме спектральной чувствительности - величина, обратная пороговому потоку, приведенному к единичной полосе пропускания усилителя и площади приемника А, см Гц¹ /Вт ;

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

R - число элементов в линейке и размер элемента 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  спектра 8-14 мкм, CdHgTe, PbSnTe - имеют темновое сопротивление 75-300 Ом, фоторезисторы Ge(Au) - от 300 кОм до 1 Мом.