Разработка и обоснование технических решений, направленных на создание беспилотного летательного аппарата

дипломная работа

1.7 Пассивные тепловые визиры

В пассивных тепловых визирах головок самонаведения используется собственное излучение целями электромагнитной энергии в инфракрасном диапазоне волн. Интенсивность излучения J(мощность в единице телесного угла) определяется законом Стефана -- Больцмана ,где ? -- коэффициент излучения (для абсолютно черного тела, которое одновременно является идеальным излучателем и поглотителем всей лучистой энергии, ? = 1; для реальных «серых» тел ? < 1); -- постоянная Стефана -- Больцмана; Т -- температура излучающей поверхности в градусах абсолютной шкалы.

Увеличение температуры тела не только увеличивает интенсивность теплового излучения, но и приводит к сдвигу максимума спектральной плотности излучения в область более высоких частот.

Используемый диапазон инфракрасных волн подразделяют на следующие поддиапазоны:

- 0,76?1,6 мк-- ближняя инфракрасная область, используется для целей связи;

- 1,5?5,0 мк-- промежуточная инфракрасная область, используется для обнаружения «горячих» целей: самолетов, баллистических ракет и др.

- 8,5?13,0 мк-- далекая инфракрасная область; в этом поддиапазоне дают максимум излучения «холодные» цели, например корабли.

Следует отметить, что из-за сложной конфигурации целей пространственное распределение инфракрасного излучения оказывается очень неравномерным.

Пространство, окружающее цели, также является источником теплового излучения. Это излучение называется фоном. Фон создается нагретой атмосферой, облаками, рассеянными излучениями Солнца и Луны, нагретой Землей, волнами на водной поверхности и т. д. Так как температуры целей и источников фонового излучения различны, то и соответствующее им тепловое излучение имеет различную интенсивность и спектральный состав. Геометрические размеры цели, как правило, много меньше размеров источников фонового излучения. Обычно цель может считаться точечным источником, а фон -- Пространственно-распределенным (протяженным) источником. Отмеченные различия позволяют достаточно эффективно выделять излучение целей из фонового излучения.

Тепловой визир должен обеспечивать решение следующих задач:

- улавливание тепловой энергии, излучаемой целью;

-уменьшение влияния фона;

- преобразование энергии теплового излучения в электрический сигнал;

-анализ электрического сигнала с тем, чтобы определить отклонение изображения цели от некоторого опорного направления.

Отсчет угловых координат цели в тепловых визирных устройствах ведется, как правило, от оси оптической системы хРз.

Для улавливания тепловой энергии целей используются оптические системы: линзовые, зеркальные и комбинированные, линзово-зеркальные. Оптическая система фокусирует тепловой поток и преобразует тепловое излучение цели в его тепловое изображение на чувствительном элементе.

Для уменьшения влияния фона используют различие как спектральных, так и пространственных характеристик полезного сигнала и фона. Спектральная селекция цели заключается в согласовании полосы пропускания оптической системы со спектром полезного сигнала от цели.

Различие пространственных характеристик полезного сигнала и фона используется при модуляции принимаемого излучения объекта. Как правило, модулируется сфокусированный лучистый поток на выходе оптической системы. Модулятор представляет собой вращающийся диск с нанесенным на его поверхность рисунком. Рисунок состоит из чередующихся прозрачных и непрозрачных для инфракрасного излучения элементов. При вращении диска принимаемое излучение цели будет модулировано по закону, определяемому характером рисунка на диске. В то же время изображение фона попадает на большое число элементов диска, поэтому фоновый поток в любой момент времени (независимо от положения диска) будет приблизительно одинаковым.

Преобразование энергии излучения в электрический сигнал осуществляется при помощи фотоприемника, основу которого составляет чувствительный элемент, вырабатывающий при облучении лучистой энергией электрическое напряжение. Такими элементами являются: термоэлектрические устройства (термоэлементы, болометры, тер-мисторы) и фотоэлектрические устройства (фотоэлементы, фотосопротивления, фотодиоды, фототриоды). Основные характеристики некоторых чувствительных элементов представлены в табл.1.

Таблица 1- Характеристики чувствительных элементов

Вид чувствительного элемента

Инерционность чувствительного элемента, сек

Пороговая чувствительность (здесь имеется в виду мощность сигнала, равная мощности собственных шумов чувствительных элементов).

1 Термопара

2Термисторный болометр

3.Фотосопротивление

от 0,1 до 2

Для уменьшения уровня собственных шумов чувствительных элементов часто применяют их принудительное охлаждение, например, твердой углекислотой или жидким азотом.

Полученное на выходе чувствительного элемента напряжение усиливается и анализируется с тем, чтобы определить угловые отклонения цели от оси хрз. Основной задачей анализирующего устройства является формирование сигнала ошибки, зависящего от углового отклонения цели.

Один из возможных путей решения этой задачи состоит в использовании на модулирующем диске специальной структуры рисунка (рисунок диска меняется по мере удаления от некоторого положения, соответствующего изображению цели, находящейся на оптической оси системы). Тогда при изменении положения цели меняются параметры модуляции сигнала.

Функциональная схема теплового визира может быть представлена в виде последовательного соединения следующих элементов: оптической системы, модулятора, фотоприемника и демодулятора.

Рассмотрим для примера функциональную схему теплового визира, в котором в качестве анализирующего устройства используется модулирующий диск с частотной манипуляцией теплового потока (рис. 1.12). Модулирующий диск представляет собой металлическую или стеклянную пластину с рядом прозрачных и непрозрачных для инфракрасных лучей полос. Диск вращается с постоянной скоростью. При смещении изображения цели вверх или вниз относительно оси zРз фотопоток модулируется либо с частотой ,либо ,где п1и п2 -- число черно-белых полос на внешней и внутренней части диска, aFвр-- частота вращения диска (число оборотов в одну секунду). Фотоприемник преобразует модулированный фотопоток в электрические импульсы, которые усиливаются усилителем. Избирательные фильтры (1и 2 на рис.12) настроены на частоты F1и F2. Следующие за ними выпрямители вырабатывают напряжения, определяемые амплитудами сигналов с выходов фильтров. Разность этих напряжений на выходе вычитающего устройства является выходным сигналом визира. Для рассматриваемой схемы модулирующего диска получается релейная зависимость напряжения на выходе визира от угла отклонения цели в вертикальной плоскости .

Если модулирующий диск имеет расположение прозрачных и непрозрачных полос такое, то при увеличении отклонения цели от оси zРз частота модуляции будет дискретно меняться. Используя в качестве демодулятора частотный дискриминатор, можно получить напряжение , примерно пропорциональное величине углового отклонения. В этом случае тепловой визир будет почти линейным звеном.

Рисунок-12. Функциональная схема теплового визира.

Функциональная схема, представленная на рис.12, соответствует формированию выходного сигнала визира в одном из каналов (в канале тангажа). Второй канал (канал курса) в принципе аналогичен, только ось модулирующего диска должна быть повернута на угол ?/2 [7].

Делись добром ;)