Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ИЗЛУЧАЮЩИЕ МАСКИ-ТРАНСПАРАНТЫ

|

Излучающие маски-транспаранты в виде растров и диафрагм различной формы и размеров повторяют видимые угловые размеры и формы разнообразных целей и фо­нов. Обычно они устанавливаются перед излучателем (ЧТ, лампой, нагреваемым или охлаждаемым экраном и т. д.) и находятся в фокальной плоскости объектива коллима­тора, что позволяет имитировать удаленные объекты (цели) и фоны (см. рис. 12.2,а). В гл. 4 говорилось о двух типах испытательных мир: четырехполосной в виде сово­купности вытянутых прямоугольников (полос) с отношением высоты к ширине 7:1 и наборе равносторонних треугольников с различной ориентацией одной из вершин (см. рис. 4.4).

В)

Рис. 12.4. Примеры испытательных мир: а) трехполосная мира США ( MIL-STD - 1250А); б) радиально-секторная «звездная мира»; в) «прямоугольная» мира с линейно меняющейся частотой штрихов;

Г) «прямоугольные» четырехмерные миры с пространственным фазовым сдвигом;

Д) мира «System Image Analyzer» (США).

Другие формы растров, используемых в качестве мир (тест-объектов) при испыта­ниях и исследованиях ИКС, приведены на рис. 12.4.

В [166] описан метод определения температурно-частотного разрешения ИКС с по­мощью излучателя (излучающей маски) в виде двух параллельных линий (щелей), ос­нованный на оценке контраста в изображении этих линий при изменении расстояния между ними и их температуры. Контраст, или глубина модуляции, при оптимальном взаимном расположении маски и МПИ (оптимальной пространственной фазе) измеря­ется на выходе электронного тракта ИКС или на дисплее. При этом устраняется или ос­лабляется такой существенный недостаток наиболее распространенного сегодня метода определения ФПМ по полосной мире, как эффект наложения частот при превышении частоты Найквиста (см. § 9.2). Несложно перейти от оценки разрешения в пространст­венной форме (расстояние между линиями) к оценке пространственно-частотных ха­рактеристик. Важно и то, что реализовать на практике этот метод проще, чем методы с использованием полосной или другой миры.

В качестве таких масок часто применяют непрозрачные металлические пластины с прорезями, повторяющими форму имитируемого излучателя, а также отражательные транспаранты. К конструкции излучающих масок-транспарантов предъявляются специ­фические требования. Хотя из тонких металлических пластин проще воспроизвести сложную форму с достаточной точностью, однако для обеспечения хорошей теплопро­водности и однородности излучения желательно воспользоваться пластинами большей толщины. Сторона маски, обращенная к излучателю, должна быть хорошим отражателем
(зеркалом), чтобы собственное излучение не искажало температурное поле, создаваемое излучателем. Прорези с той же задней стороны маски должны иметь хорошо обработан­ные фаски под достаточно большими углами, превышающими углы диаграммы направ­ленности, создаваемой коллиматором в соответствии с угловым полем испытуемой ИКС.

Обычно такие маски-диафрагмы изготавливаются из меди или алюминия, обладаю­щих хорошей теплопроводностью и обеспечивающих высокую однородность энергети­ческой светимости. Для увеличения излучательной способности поверхность маски, имитирующая цели и фоны, соответствующим образом обрабатывается.

Если требуется создать однородный излучающий фон, то, помещая имитирующий этот фон излучатель (ИФ) вне фокальной плоскости объектива коллиматора, как это показано на рис. 12.2,6, можно в результате расфокусировки уменьшить влияние ло­кальных температурных неоднородностей ИФ. Такую отражательную маску можно сменить гораздо быстрее, чем излучающую, для которой порой требуется значительное время, чтобы достичь температурного равновесия по всей ее площади.

Для многих испытаний ИКС необходимо применять маски-транспаранты в виде тест-объектов различной формы и периодичности. Поэтому конструкция транспарантов должна обеспечивать достаточно быструю их смену. В таких случаях для учета или ис­следования влияния на разрешение ИКС фазовых сдвигов (по ортогональным осям) и поворота тест-объектов необходимо предусматривать в конструкциях оправ и других устройств крепления масок возможность их смещения по ортогональным осям и пово­рота вокруг оптической оси ИКС. Погрешность задания пространственной частоты тест-объектов обычно не должна превышать 5%.

Трудности воспроизведения сложных малоразмерных рисунков в виде вырезов, по­вторяющих форму и видимые размеры многих реальных целей и фонов, привели к ис­пользованию фотохимических методов травления и ряда методов электрообработки тонких металлических пленок при изготовлении таких масок.

Очень важно выбрать такое крепление маски, чтобы его элементы не попадали в уг­ловое поле испытуемой ИКС, а также обеспечить высокую чистоту и незапыленность маски, помещение ее в изотермическую среду, т. е. надлежащие окружающие условия.

Как уже отмечалось, если необходимо высокое температурное разрешение в сотые и тысячные доли градуса, то для компенсации изменений окружающей температуры в составе имитатора следует использовать устройства контроля и регулировки темпера­тур отдельных его блоков, часто не только излучателя, например ЧТ, но и маски - транспаранта.

Ряд погрешностей задания малых разностей температур АТ между имитаторами цели и фона, обусловленных неточным совпадением рабочей температуры излучателя и тем­пературы, характеризующей излучение прорезей в маске, можно устранить при «двусто­ронней» установке имитируемой температуры Т: «снизу», со стороны немного меньших температур Т - АТ, и «сверху» - со стороны более высоких температур Т + АТ.

Полутоновые изображения излучателей (целей и фонов) можно обеспечить, протра­вив в металлических масках большое число отверстий, размеры которых меньше пре­дела разрешения испытуемых ИКС, или нанеся на прозрачную подложку совокупность не разрешаемых ИКС непрозрачных точек. Для этого часто используют освоенные в полиграфии методы фотолитографии. Иногда на подложку наносят покрытия в виде отдельных элементов, моделирующие структуру целей и фонов, причем излучательная способность этих элементов отличается от излучательной способности материала под­ложки. Поэтому при нагреве или охлаждении такой подложки рельеф поверхностной плотности излучения (энергетической светимости) маски повторяет заданную структу­ру поля объектов. Достоинством подобных методов является возможность размещения в угловом поле нескольких моделей целей.

_ *

При одновременной имитации цели и фона с температурами Тп и 7ф при различных излучательных способностях соответствующих масок ец и 8ф окружающая среда с тем­пературой Тс создает ложную составляющую сигнала, поступающего на вход испытуе­мой ИКС. Действительно, если в соответствующих выражениях для энергетических светимостей имитаторов цели и фона

М,(КТ„)=%М,(КТи) + (1-к)М'(ЪТ,),

МАГф) = ефЛ/,(Х,7-ф) + (1 -еф)М,(Х, Г,)

Вторые слагаемые в правых частях описывают отраженное от масок излучение, созда­ваемое окружающей средой, то разность между сигналами от имитаторов цели и фона на входе испытуемой ИКС будет определяться выражением вида

ЛМе =ЕиМе(КТа)-ЕфМе(КТп)-(ец-Еф)Ме(КТс).

Последний член правой части этой формулы характеризует методическую погреш­ность измерений и должен учитываться при обработке их.

Аналогично можно получить формулу для методической погрешности, вносимой коллиматором.

В отличие от излучающих масок-транспарантов рабочие поверхности отражатель­ных масок (см. рис. 12.2,6) имеют больший коэффициент отражения. Такие маски по­зволяют уменьшить вредное влияние изменений окружающей температуры и элемен­тов стенда друг на друга. В стенде, основанном на их использовании, можно имитиро­вать не только однородный по температуре фон, но и «пестрый», т. е. фон с произволь­ной пространственно-температурной структурой.

В ряде стран ведутся работы по созданию инфракрасных проекторов, имитирующих пространственно-температурную, а иногда и временную структуру пространственных полей, просматриваемых ИКС. В таких проекторах функции излучателя, создающего температурное поле, и маски, имитирующей пространственную структуру этого поля, объединены в единой конструкции - излучающем экране.

Известны конструкции, где большое число малогабаритных нагревательных элемен­тов, например нихромовых проволочных, размещается равномерно по достаточно большой площади, определяющей угловое поле коллиматора. Структуру излучающего поля можно выбрать, создав пространственно распределенную и адресно управляемую систему электрического питания отдельных элементов.

Иногда в таких устройствах используют мозаичные излучающие табло, состоящие из отдельных малоразмерных источников с независимо изменяемыми энергетическими параметрами. Управляя набором (количеством и расположением) излучающих ячеек такого табло (экрана) и применяя соответствующие коллиматоры, можно формировать достаточно сложные модели фонов.

В [10] описана конструкция имитатора поля инфракрасного излучения, основанная на использовании сплошного резистивного покрытия - электропроводящей эмали. Не­обходимое распределение энергетической яркости создается адекватной топологией токопроводов и распределением на них соответствующих номиналов электрических потенциалов. Кроме того, плотность электрической, а следовательно, и тепловой мощ­ности можно менять, изменяя толщину электропроводящего покрытия или вводя до­полнительные замыкающие элементы различной конфигурации.

В [10] описаны и другие конструкции имитаторов, основанные на использовании как тепловых (в виде экранов) или оптических аппликаций - масок, выполненных из неэлек­тропроводящих красок с различными коэффициентами излучения, так и мозаик из нагре­вательных элементов. Тепловые аппликации создаются на однородном электрическом (излучающем) фоне путем размещения над ним масок для имитации объектов с меньшей, чем у фона, температурой и дополнительно подогреваемых элементов для имитации объ­ектов с большей, чем у фона, температурой. Мозаики могут иметь независимое электро­питание отдельных нагревательных элементов либо представлять собой печатную плату, на поверхность которой нанесен слой электропроводящей эмали постоянной толщины с диэлектрическими зазорами по границам раздела имитируемых объектов. Печатные пла­ты могут располагаться в одной. или нескольких плоскостях с учетом рельефа модели­руемой местности. Последняя конструкция позволяет воспроизводить быстрые измене­ния яркости фона и расположенных на нем объектов за счет быстрой коммутации нагре­вательных элементов и изменения подводимой электрической мощности.

Для обеспечения натурных (полигонных) испытаний ИКС в реальной фоно­целевой обстановке разрабатываются специальные комплексы. В табл. 12.2 приведе­ны технические характеристики двух отечественных тепловизоров-радиометров, со­ставляющих основу таких комплексов, разработанных в Федеральном научно - производственном центре «Государственный институт прикладной оптики» (ФНПЦ «ГИПО») [8, 155].

В качестве полевых тест-объектов могут использоваться разнообразные мишени - имитаторы целей и фонов. Так, активная разборная маневренная мишень, созданная ФНПЦ «ГИПО», набирается из 14 элементов одинаковых размеров, гидравлически соединенных между собой в параллельные пары холодного и теплого типа с регулируемыми температу­рами [8]. Каждый элемент состоит из алюминиевых бачков размерами 575x160x50 мм, за­полняемых смесью этиленгликоля с водой. Комбинируя коллекторы и вентили этих бачков, можно создать двух-, четырех - и семиштриховую (семипериодную) миры с диапазоном изменения температуры штрихов -12...+17°С при относительной влажности воздуха до 90% и скорости ветра до 15 м/с. Мишень монтируется на транспортировочной раме, где располагаются также агрегаты электропитания (2,5 кВА) и контроля температуры.