Инфракрасные системы «смотрящего» типа
ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА В РАКЕТНОЙ ТЕХНИКЕ
Инфракрасные системы едва ли не впервые стали широко применяться в ракетной технике. Преимущества ИК-диапазона спектра для работ ИКС наведения и самонаведения хорошо известны и здесь не рассматриваются. До настоящего времени большинство ИКС для ракетной техники являются сканирующими. Появление высококачественных МПИ и ФПУ на их основе, успешно работающих в спектральных диапазонах
3.. .5 и8...14 мкм, открыло большие перспективы для развития этих систем. Однако по вполне понятным причинам в открытой литературе сведений о них по сравнению с ИКС других назначений очень мало. Приведем лишь некоторые из них.
Особенности ИКС «смотрящего» типа, работающих в составе ИК-головок самонаведения современных ракет, подробно рассмотрены в [234]. Специфика систем самонаведения - быстродействующи _,рледящих систем, функционирующих в условиях больших динамических нагрузок, заметно сказывается на выборе спектрального рабочего диапазона, типа ФПУ и МПИ, конструкции системы охлаждения и др. В [234] сопоставляются требования к пространственному и температурному разрешению ИКС, а также к допустимым временам накопления зарядов в ячейках схемы считывания, к оптической схеме и геометрооптическим параметрам объектива, к материалам, из которых изготавливаются оптические детали, и стоимости системы. На основании подробного анализа этих факторов и учета особенностей методов наведения современных ракет и систем слежения (целеуказания, коррекции направления визирования и траектории полета), а также стабилизации оптической оси в пространстве авторы [234] приходят к выводу, что для работы в диапазоне длин волн 3...5 мкм лучше использовать ИКС «смотрящего» типа с фотонными охлаждаемыми МПИ на базе PtSi и InSb. Если в
15 Инфракрасные системы «смотрящего» типа
Системах наведения и самонаведения с автоматическим распознаванием целей необходим не один рабочий спектральный диапазон, а два или более, некоторые выводы и рекомендации, содержащиеся в [234], следует подвергнуть пересмотру, особенно если учитывать быстрое развитие ФПУ на базе ФКЯ, микроболометров и др.
Для следящей системы ракеты «Полифем», разрабатывавшейся в начале 90-х годов совместно Германией, Францией и Италией, было выбрано ФПУ на базе PtSi с кремниевой схемой считывания формата 640x486. Размер пиксела составлял 24 мкм с коэффициентом заполнения более 0,6. В системе использовались охлаждаемые диафрагма и фильтр. При времени накопления 20 мс частота кадров составляла 50 Гц, а ЛГП не превышала 100 мК при диафрагменном числе объектива 1,4. Система охлаждения с хладагентом - жидким азотом выводила ФПУ в рабочий режим менее чем за 3 мин [234].
Объектив системы состоял из четырех линз, изготавливаемых из Si и Ge; коэффициент пропускания объектива в рабочем спектральном диапазоне (3...5 мкм) превышал 90%. Одна из поверхностей выполнялась асферической. Охлаждаемая апертурная диафрагма размещалась в сосуде Дьюара, а диаметры отдельных компонентов объектива выбирались так, чтобы избежать виньетирования. В объективе предусматривалась пассивная атермализация. Объектив создавал изображение размером около 15,4x11,6 мм на чувствительном слое МПИ при мгновенном угловом поле около 200 мкрад. Координатор размещался в двухкарданном подвесе и обеспечивал работу в пределах азимутальных углов ±30° и углов возвышения от +15 до -30° при угловой скорости слежения
1 рад/с и ускорениях 10 рад/с.
Для предотвращения размытия изображения в координаторе использовалась электромеханическая система гироскопической стабилизации, работающая как цепь обратной связи по скорости в полосе частот в несколько десятков герц. Параметры этой системы хорошо согласовывались со сравнительно большим временем накопления зарядов в ФПУ на основе PtSi.
Управление ракетой «Полифем» производилось с командного поста по волоконно - оптическому кабелю. Пост мог располагаться на земле, надводном или подводном корабле, на вертолете. Дальность действия ракеты достигала 60 км при высоте полета над подстилающей поверхностью до 200 м со скоростью до 200 м/с.
Изображение по волоконно-оптическому каналу связи передавалось на командный пост управления огнем, где и обрабатывалось, что уменьшало габариты, массу и стоимость самой ракеты. Такая обработка заключалась, прежде всего, в коррекции неоднородностей чувствительности элементов ФПУ. Изображение, предъявляемое оператору, корректировалось в течение полета ракеты. На последних стадиях полета при уточнении вида цели и захвата ее использовались алгоритмы слежения по контрасту в сочетании с корреляционными алгоритмами выбора цели и наведения на нее.
Фирмой «EADS LFK GmbH» (Германия) при участии компании «Bofors» (Швеция) создана ИК-следящая система для управления ракетой KEPD 350 класса «воздух - земля» [234]. Учитывая маневренность и высокую скорость подлета ракеты к цели, в ИКС использовано ФПУ с малым временем накопления зарядов и их считывания в КМОП- схеме на базе Si. После анализа технических требований к системе слежения и требова-
Ний к ее стоимости разработчики остановили свой выбор на InSb-МПИ формата 256*256, обеспечивающем работу в угловом поле около 10°. При размере пиксела 30 мкм, диа - фрагменном числе объектива К = 2 и времени накопления в несколько миллисекунд АТп составила менее 50 мК. В системе используется миниатюрное охлаждающее устройство фирмы «Raytheon IRCOE», на жидком аргоне, работающее по схеме Джоуля - Томсона. Время выхода системы охлаждения на рабочий режим не превышает 1 мин. Объектив ИКС состоит из четырех линз из Si, ZnSe и Ge со сферическими поверхностями, ахроматизирован и атермализирован. Сферический обтекатель из кремния защищен углеродистым покрытием. Входным зрачком объектива служит охлаждаемая диафрагма сосуда Дьюара. Коэффициент пропускания оптической системы превышает 90%. Размер изображения (общий размер чувствительного слоя МПИ) равен 7,68*7,68 мм. Фокусное расстояние выбрано так, чтобы обеспечить мгновенное угловое поле менее 1 мрад. Функция передачи модуляции на частоте Найквиста превышает 50%.
В [234] содержатся сведения о системах слежения и стабилизации координатора цели ракеты KEPD 350, в составе которого работает ИКС; в частности, указывается, что угловая скорость системы слежения достигает 10 рад/с при ускорении 40 рад/с2. Предварительная информация о цели, ее координатах, фоно-целевой обстановке вводится в блок памяти системы управления ракетой. В процессе полета эта информация в виде двумерных электронных изображений с помощью системы навигационных, радиолокационных и других систем уточняется. При слабом контрасте цели или ее маскировке ИК-следящая система осуществляет ее поиск, а затем выдает сигналы управления в соответствии с угловым рассогласованием между линией визирования цели и осью ракеты.
В системах наведения и самонаведения ракет класса «воздух-воздух», разрабатываемых фирмой «ASRAAM» и устанавливаемых на борту самолетов ВВС стран НАТО, используются ИКС на базе выпускаемых компанией «Raytheon» InSb-матриц формата 128*128, обеспечивающие максимальную дальность обнаружения и захвата цели до 15 км. Как сообщается в [160], та же компания разрабатывает двухдиапазонную (ИК и УФ) систему Raytheon FIM-92 Stinger для вертолетных ракетных систем класса «воздух - воздух». В управляемых бомбах используется система Rafael (фирма «Northrop Grumman Litening», США) с тепловизионным каналом формата 708*240, работающим в спектральном диапазоне 8... 12 мкм, и ПЗС-матрицей формата 768*494. Система работает в узком (1,5*1,5°) и широком (16,4*24,5°) угловых полях.
Компания «NVT» (США) для ракетных следящих систем выпускает ИК-камеру Poseidon (рис. 14.5 на вклейке), построенную на базе МПИ из PtSi формата 320*240 с периодом пикселов 25*25 мкм и коэффициентом заполнения 0,5. Рабочий спектральный диапазон системы - 3.. .5 мкм; АТП - менее 90 мК; угловое поле объектива с/' = 50 мм и К= 1,8 составляет 9,2*7,0°. Масса ИКС 6 кг, энергопотребление 50 Вт. Система работает в диапазоне окружающих температур от -10 до +60°С.
В головках самонаведения ракет Block IVA класса «поверхность-воздух», стоящих на вооружении ВМФ США, предполагается использовать ФПУ формата 256*256 компаний «Raytheon» (для диапазона 8... 12 мкм) и «Rockwell» (для диапазона
4.. .4,85 мкм). Угловое поле систем составляет 3°.
Для идентификации боевых частей ракет и селекции их от ловушек-помех лабораториями «Jet Propulsion Lab.»и «US Air Force Research Lab.» разработано двухдиапазонное (8...9 и 14...15 мкм) ФПУ формата 640x486 на базе ФКЯ. Режим ограничения пороговой чувствительности фоном с температурой 300 К для диапазона 8...9 мкм достигается при охлаждении приемника до 70 К и использовании охлаждаемой диафрагмы. В диапазоне 14... 15 мкм для обеспечения этого режима приемник и диафрагму охлаждают до 40 К.
С конца 90-х годов компания «Raytheon Systems» (США) выпускает ИК-следящую систему для ракет EFOG-M, пусковые установки которых базируются на автомобилях. В системе используется МПИ на основе PtSi формата 640x640, работающий в диапазоне 3...5 мкм.
Та же компания совместно с «Lockheed Martin» разработала переносимую одним человеком противотанковую ракетную систему Javelin, в которой система наведения выполнена на основе охлаждаемого KPT-приемника формата 64x64, работающего в спектральном диапазоне 8... 12 мкм.
Для оснащения противотанковых систем с управляемыми реактивными снарядами (ПТУРС) типа Bill, Milan, Tow и Егух, принятыми на вооружение в НАТО, была разработана инфракрасная камера BIRC, построенная на базе матричного ФКЯ ACREO формата 320x240 и совмещенная с дневным каналом системы прицеливания ПТУРС. Напряжение питания системы массой около 9 кг, устанавливаемой на специальный штатив, подается от литиевых батарей со сроком непрерывной службы 2...3 ч [108].
Для работы в составе портативных переносимых ракетных комплексов компания «FLIR Systems» (США) поставляет ФПУ на ФКЯ-МПИ формата 320x240, работающие в диапазоне 7,5...9,3 мкм. Объектив системы имеет широкое (4,6x3,5°) и узкое (2,3x1,7°) угловое поле. Частота кадров составляет 50 Гц. Потребляемая в процессе работы мощность не превышает 25 Вт, диапазон температур окружающей среды - от -30 до +60°С. Системы на ФКЯ-матрицах можно эффективно использовать для различения нагретых («горячих») и холодных объектов, в частности для раздельного наблюдения корпусных элементов объектов ракетно-космической техники, пламени и других продуктов истечения ракетных двигателей. Так как температура корпуса многих ракетных систем близка к 250°С, а температура истекающего пламени двигателя может достигать 950°С, то на длине волны 4 мкм отношение энергетических светимостей пламени и корпуса составляет около 25-103, а на длине волны 8,5 мкм оно снижается до 115. Поскольку динамический диапазон принимаемых сигналов большинства современных ИКС не превышает 12 дБ (4096 крат), для выделения изображения корпуса на ранних стадиях полета ракеты на фоне пламени двигателя лучше использовать диапазон около
8,5 мкм, т. е. тот, где хорошо работают ФПУ на ФКЯ. Это было убедительно продемонстрировано при наблюдении за стартом ракеты Delta-II [133].
В [279] описываются эксперименты и приводятся некоторые сигнатуры сигналов, создаваемых на различных стадиях запуска и полета корпусами и пламенем двигателя баллистических ракет типа Boing Delta IIA и AtlasIIA. Измерения проводились с помощью ИКС на базе двухдиапазонных ФКЯ-МПИ. Зеркальный объектив ИКС имел входной зрачок диаметром 76,2 см и фокусное расстояние 609,6 см. Размер пиксела ФПУ был равен 40 мкм, что обеспечивало угловое разрешение 6,56 мкрад при общем угловом поле 1,68 мрад (0,096°).