Инфракрасные системы «смотрящего» типа

СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО БАЗИРОВАНИЯ

Инфракрасные системы входят в состав многих авиационных комплексов, предна­значенных для пилотирования вертолетов и самолетов, наблюдения и разведки с их борта. Обычно они в сочетании с телевизионными системами, лазерными системами подсветки, целеуказания и дальнометрирования, радиолокационными и другими сис­темами являются комплексами многоцелевого назначения, в частности используются или могут использоваться для обнаружения очагов пожара и пожаротушения, разведки полезных ископаемых, контроля состояния нефте - и газопроводов, экологического мо­ниторинга, поиска пострадавших во время стихийных бедствий и др.

Для самолета F-16 ВВС США фирмой «Delft Sensor System» (Нидерланды) разрабо­тана малогабаритная ТВ-система на базе ГМП с ЭОП Ш+ и ПЗС-матрицей формата 756x581. При естественной ночной освещенности 10 3 лк и контрасте 0,85 для увеличе­ния Iх разрешающая способность составляет 3,2 TBJI (телевизионных линий) на 1 мрад по вертикали и 2,2 TBJ1 на 1 мрад по горизонтали, для 4х - соответственно 0,8 и 0,65 TBJ1 на 1 мрад, а для 6х -0,54 и 0,43 TBJ1 на 1 мрад [160].

Широко используемые в авиации США системы, функционирующие в диапазонах

3.. ..5 и 8.... 12 мкм, устанавливаются на стабилизированные гироскопические шаровые устройства, закрепляемые на вертолетах и самолетах [160]. К ним относятся, например, система Ultra 7000 («FLIR Systems»), имеющая ИК-канал и цветной телевизионный. ИК-канал основан на InSb-матрице формата 256x256, работающей в спектральном диа­пазоне 3...5 мкм при ДГП = 30 мК. Время выхода на режим системы охлаждения со­ставляет 7...8 мин.

На InSb-матрице формата 320х240 построена ИКС Micro STAR, а на ФКЯ-матрице - ИКС STAR-Q фирмы «FLIR Systems». Система Brite STAR класса «вертолет - поверх­ность» той же фирмы содержит тепловизионный канал, лазерный целеуказатель, теле­визионный канал на ПЗС. Для комплексов, в состав которых входят эти системы, ха­рактерны азимутальные угловые поля в 360°, а просматриваемые ими углы возвышения составляют 50° у Micro STAR, +32...-100° для Brite STAR и +20°...-105° для STAR-Q. Полные азимутальные углы обзора обеспечивают гиростабилизированные платформы, разворачивающие линию визирования со скоростью 52...60 град/с.

Двухосная вертолетная стабилизированная платформа фирмы DRS (ранее «Boeing») с погрешностью стабилизации 150 мкрад служит основанием для ИКС, построенной на базе УОх-микроболометра формата 320x240 пикселов размером 51 мкм и коэффициен­том заполнения 0,6. Система работает в спектральном диапазоне 8... 12 мкм и при раз­вороте платформы просматривает угловые поля по углам возвышения по азимуту 360°, ±200° (или 270°) [160].

Система COMPASS фирмы «Е1ор» (Израиль) с полем обзора 360х(+30...-120°) на­ряду с ТВ-каналом и ПЗС-матрицей имеет в своем составе ИКС, просматривающую уг­ловое поле от 30x22,5° до 1,4x1,03°.

Фирма «Westinghouse Electric Corp.» (США) разработала облегченную разведыва­тельную ИКС переднего обзора круглосуточного действия, устанавливаемую на верто­летах и легких самолетах и предназначенную для поиска, обнаружения и распознава­ния наземных, надводных и воздушных целей [119]. Система состоит из трех модулей: головки датчика, электронного блока и блока контроля. Масса ИК-головки около 20 кг, габариты - 171,5x152,4x194,3 мм, электронного блока - 20,4 кг и 182,9Х292,0x528,3 мм соответственно; спектральный рабочий диапазон ИКС, использующей матричный МПИ на базе Р18ц 3,4...5,0 мкм. Напряжение питания постоянного тока 28 В поступает от бортовой сети, средняя потребляемая мощность 336 Вт.

Поле обзора системы по азимуту составляет ±60°, а по углу возвышения — от 0 до -60°. Размещение оптической системы на поворотном основании позволяет осуществ­лять обзор по азимуту в полном угле (360°). Оптическая система (рис. 14.4), состоящая из объектива, линз Л1.. .Л 11, зеркал 31.. .34 и фильтра, может работать в режиме широ­кого углового поля (15x20°) при поиске и обнаружении целей и узкого поля (3x4°) при распознавании обнаруженных целей. Для перехода от широкого поля к узкому и повы­шения увеличения в пять раз компоненты Л2...Л6 (см. рис. 14.4) выводятся из хода лу­чей. В режиме узкого поля диаметр входного зрачка системы 76,2 мм, а фокусное рас­стояние 183 мм. На пространственной частоте 15 период/мм оптическая передаточная функция спадает до 60% максимума.

Блок приемника излучения, включающий охлаждаемую диафрагму и оптический фильтр, размещен внутри сосуда Дьюара, который может поворачиваться по азимуту и углу возвышения для обеспечения необходимой ориентации изображения относитель­но корпуса летательного аппарата или линии горизонта. Размеры чувствительного слоя приемника составляют 11,8х 14,8 мм при числе пикселов 78 080, а одного пиксела - 40x40 мкм, что соответствует мгновенному полю в 0,21 мрад при коэффициенте запол­нения, равном 0,43. Емкость ячейки схемы считывания равна 1,4-106 электронов и по­зволяет наблюдать сцены и объекты с температурами до 60°С без переполнения ячей­ки. Аналоговые сигналы с выхода схемы считывания ФПУ преобразуются в цифровые (12 бит) с частотой 6 МГц.

Специальная гироскопическая система стабилизации линии визирования обеспечи­вает требуемое качество изображения при движении платформы, на которой размеща­ется ИК-головка (оптическая система, приемник излучения с системой охлаждения, ряд электронных узлов), в указанных диапазонах азимутальных углов и углов возвышения. Погрешность стабилизации линии визирования не превышает 100 мкрад при макси­мальной скорости разворота платформы до 1,5 рад/с и максимальном ускорении 5,0 рад/с2.

Электронный тракт позволяет замещать «плохие» пикселы, т. е. те, чувствительность которых ниже номинальной на 30% и более. Сигналы с соседей «плохих» пикселов ос - редняются, и полученное значение приписывается «плохому» пикселу.

В электронном блоке для минимизации 1 /^шума применяется двойная коррелиро­ванная выборка, а также коррекция неоднородности чувствительности и выравнивание коэффициентов усиления сигналов, снимаемых с отдельных пикселов. Кроме того, предусмотрена компенсация изменения чувствительности из-за изменений окружаю­щей температуры.

«Очищенное» электронное изображение (видеосигнал со стандартного выхода Яв - 170) подается на монитор после уменьшения динамического диапазона сигнала с 12 до

8 бит (25 уровней), что обеспечивается дисплеем монитора, и линейной или гамма - коррекции видеосигнала. При низкоконтрастных сценах возможно накопление (сложе­ние) отдельных кадров.

Эквивалентная шуму разность температур ИКС не превышает 150 мК. Расчетная дальность распознавания объекта при температурном контрасте в 1°С и метеорологи­ческой дальности видимости 5М = 5 км на высоте 1 км составила 2,5 км. Летные испы­тания, проводившиеся летом в средних широтах при 5М = 23 км, показали возможность обнаружения (в режиме широкого поля) и распознавания (в режиме узкого поля): чело­века на земной поверхности — на расстоянии 0,6 км; автомобиля-тягача - на расстоянии

2,5 км; самолета - на расстоянии 7 км и катера на воде - на расстоянии 4 км.

Фирма «БашоГГ Согр.» (США) для воздушной разведки в ИК-диапазоне выпускает прибор Ж КАС, выполненный на базе Р18ьМПИ формата 640x480 с ДТп = 100 мК и имеющий аналоговый (1^-232) и цифровой (118-422) выходы. Система охлаждения требует времени выхода на рабочий режим (77 К) менее 30 мин. Напряжение питания ~100 В подается от бортовой сети переменного тока.

Системы, предназначенные для воздушной разведки, успешно используются для контроля нефте - и газопроводов, ИК-картографирования, разведки и исследования природных ресурсов и экологического мониторинга. Так, ИКС ТШ. [160], выполненная на базе микроболометра формата 320x240 с ДГП = 100 мК и работающая, в спектраль­ном диапазоне 8... 15,5 мкм, способна успешно выполнять перечисленные задачи, из­меряя при этом температуру объектов, находящихся в ее поле обзора (360° по горизон­ту и 17° по вертикали), в диапазоне 0...400 К. Пространственное разрешение ИКС ТШ. составляет 0,9 мрад; ее габариты - 220,5x294x539 мм, масса - 18 кг, напряжение пита­ния - 28 В постоянного тока или 120/240 В переменного; потребляемая мощность со­ставляет 35 Вт.

Фирма «Rockwell» (США) разработала для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) систему SPIRL Т с тепловизионным каналом на МПИ формата 256х256, рабо­тающим в диапазоне 3,8...4,8 мкм. Этот канал имеет переменное угловое поле - 2,4x2,4° или 15x15°. Формат телевизионного канала на ПЗС-матрице 1134x486 с угловым полем 6x6,5°. Система обеспечивает слежение за целью с погрешностью менее 5 мкрад. Ее масса - не более 22,5 кг, а энергопотребление - менее 170 Вт [160].

Для беспилотных малогабаритных летательных аппаратов компанией «Zeiss Op­tronik GmbH» создан ряд ИКС. В системе ATTICA Р256 используется работающее в диапазоне 3...5 мкм ФПУ на базе PtSi формата 256x256. Система массой около 1,6 кг и габаритами 100x100x220 мм может иметь как аналоговый, так и цифровой выход. Уг­ловое поле системы - 14x14°. Другая система того же ряда (ATTICA С384) построена на базе работающего в диапазоне 3...5 мкм KPT-МПИ формата 288x384. Модульная конструкция камеры позволяет использовать и другие МПИ: InSb формата 256x384 для того же диапазона и КРТ формата 240x320 для диапазона 8...11 мкм. Зеркальная сис­тема микросканирования с пьезоэлектрическим приводом удваивает эффективный формат, т. е. доводит разрешение до 576x768 пикселов. Объектив обеспечивает работу в двух режимах: узкого (3,6x4,8°) и широкого (11,2x15,0°) поля [185].

Указанные в табл. 14.1 и 14.2 ИКС для беспилотных летательных аппаратов Mini - FLIR фирмы «Lockheed-Martin IRIS» работают в диапазоне 3,4...5,0 мкм при формате ФПУ на PtSi, равном 512x488, и в двух угловых полях 12x9° и 3,0x2,25°.

Для легкого беспилотного самолета-разведчика OBSERVER фирма «DERA» (Вели­кобритания) выпустила ИКС, работающие в спектральном диапазоне 8... 12 мкм, на ба­зе двух неохпаждаемых диэлектрических микроболометров из PST формата 384x288 пикселов размером 40 мкм [105]. Этот формат совпадает с форматами имеющихся на борту самолета трех ПЗС-камер видимого диапазона, просматривающих поле 40x90°. Инфракрасная система имеет два канала; объектив одного из них с фокусным расстоя­нием 21,5 мм обеспечивает просмотр широкого поля 40x30°, а другого с фокусным расстоянием 63 мм - узкого поля 13x10°. Это позволяет разделить функции обнаруже­ния и распознавания. Двухканальная система помещена на платформу, которая повора­чивается внутри контейнера диаметром 190 мм, обеспечивая просмотр поля обзора в 90° по углу возвышения, что соответствует полю визуального канала. Информация о просматриваемом поле в реальном масштабе времени передается на наземную систему контроля. Телеметрически передаваемые данные содержат сведения о положении и ориентации самолета-носителя, что позволяет выполнить координатную привязку на местности обнаруживаемых и распознаваемых объектов с погрешностью менее 20 м. Расстояние от наземной станции до самолета может достигать 25 км; размер участка просматриваемой поверхности при поле 40 х 90° и высоте полета 300 м составляет 0,8x1,0 км.

Ожидается, что для микроболометров из PST эквивалентную шуму разность темпе­ратур ДГП = 140 мК при частоте кадров 50 Гц и диафрагменном числе объектива К = 1 удастся довести до 25 мК. При диаметре входного зрачка объектива 75 мм, К = 1 и раз­решении 100 пар линий на всей ширине кадра минимальная разрешаемая такими мик­роболометрами разность температур составляет 100 мК, а при разрешении 150 пар ли­ний - 200 мК.

Используемые в этой системе объективы имеют линзы с дифракционными поверхно­стями, изготовленные из Ge и ZnSe. В них предусмотрена пассивная атермализация для окружающих температур от -10 до +50СС. По мнению авторов [105], совершенствование технологии микроболометров позволит увеличить диафрагменное число объектива до К = 2, что заметно уменьшит массу, размеры и стоимость оптической системы.

Для модуляции излучения, поступающего на диэлектрические микроболометры, ис­пользуется общий для обоих каналов вращающийся обтюратор.