Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 10. -
Вып. 3. - 2011. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-31-html/TITL-31.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-31-html/cont.htm
УДК
621.391.161
Аппаратура для исследования статистических
характеристик излучения воздушных целей и фона в диапазонах длин волн 3 – 5 и 8
– 13 мкм
Ó
2011 г. Жендарёв М. В., Соловьёв В. А., Макаров М. С., Алёхин А. В.
Замысел построения
мобильного измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) заключается в том, что
в нем используется радиометр, работающий в двух диапазонах (2,6–4,2 и 8–13
мкм), причем наблюдение осуществляется в обоих диапазонах в одном поле зрения. Выбор
диапазона 2,6–4,2 мкм был обусловлен наличием приемника лучистой энергии, обладающего
достаточной чувствительностью. Регистрация результатов измерений осуществляется
с помощью ЭВМ. В целях получения достаточно полной информации об излучении
воздушных объектов одновременно регистрируется его энергетическая яркость в
двух спектральных диапазонах, а также азимут и угол места, что позволяет исследовать
излучения воздушных объектов в динамике.
Ключевые слова: атмосферный фон,
радиометр, объект.
Оптико-электронная система
(ОЭС), предназначенная для наблюдения за воздушными объектами (целями), должна
решать задачу выделения полезного сигнала цели на фоне естественных помех,
создаваемых облачной атмосферой. Основным элементом ИВК (рисунок 1) является
радиометр, который построен на основе 2–х зеркального объектива с диаметром
входного зрачка 200 мм и фокусным расстоянием 400 мм (относительное отверстие
1:2).
Лучистый поток, принимаемый
радиометром, направляется на два приемника лучистой энергии и одновременно
модулируется по амплитуде. Благодаря этому лучистый поток попеременно попадает
на приемники лучистой энергии диапазонов 3–5 и 8–13 мкм. В качестве приемников
лучистой энергии использованы: в диапазоне 3–5 мкм – фотодиод ФД723–2; в диапазоне
8–13 мкм – пироэлектрический приемник МГ–30.
Рисунок 1 – Мобильный радиометрический
комплекс: 1 – штатив;
2 – вертикальный шток;
3 – горизонтальная платформа;
4 – вертикальная
опора; 5 – качающаяся часть; 6 – радиометр;
7 – датчик азимута; 8 – датчик угла места; 9 – ЭВМ; 10 –
блок
усилителей; 11 –
оптический визир; 12 – юстировочное
устройство; 13 –
лазерный бинокль–дальномер ЛДИ–3–1
Структурная схема радиометра
приведена на рис. 2.
Рисунок
2 – Структурная cхема двухканального радиометра
На входе последнего
приемника установлен интерференционный фильтр на область спектра 8–13 мкм. С
помощью электронных коммутаторов в каждом из каналов происходит попеременная коммутация
принимаемого сигнала, при которой принимаемый сигнал поступает в основной
канал. Сигнал основного канала пропорционален яркости наблюдаемого объекта, а
сигнал компенсационного канала – яркости внутренней полости радиометра, находящегося
при температуре окружающего воздуха. С помощью дифференциального усилителя производится
взаимное вычитание этих сигналов, в результате чего на выходе формируется выходной
сигнал пропорциональный относительной яркости наблюдаемого объекта. Поскольку
энергетическая яркость внутренней полости радиометра может быть вычислена по известной
температуре окружающего воздуха с помощью выражения [1]
, (1)
где 
– энергетическая
яркость полости радиометра, Вт·см –2·ср–1; 
– функция Планка; 
– относительная спектральная
характеристика оптической системы; 
– абсолютная температура
окружающего воздуха, то представляется возможным по величине выходного сигнала
оценить энергетические яркости исследуемого объекта с помощью выражения
, (2)
где 
, 
– энергетические
яркости исследуемого объекта и внутренней полости радиометра; 
– постоянный для данного
канала коэффициент – коэффициент передачи; 
– абсолютная
температура объекта.
Коэффициент А определяется в процессе градуировки
радиометра по методике описанной в [1]. После проведения градуировки для
каждого из каналов (3–5 и 8–13 мкм) были определены коэффициенты А, которые составили:
для диапазона 3–5 мкм –
2024,58;
для диапазона 8–13 мкм –
2200.
В конечном итоге
энергетическую яркость, наблюдаемого с помощью радиометра объекта, можно
вычислить с помощью выражения
, (3)
где 
– энергетическая
яркость исследуемого объекта; 
– сигнал на выходе радиометра;
– коэффициент
передачи соответствующего канала радиометра; 
– энергетическая
яркость опорного источника излучения (внутренней полости радиометра) при
температуре окружающего воздуха 
.
Выходные сигналы с выхода
каждого канала радиометра поступают через блок усилителей для регистрации в ЭВМ
c помощью платы АЦП – ЦАП L–305 или Е14–440. Для того чтобы можно было
сопровождать осью радиометра воздушные цели, построено портативное поворотное
устройство (рисунок 1), расположенное на штативе 1. В держателе штатива
установлен вертикальный шток 2, на котором с помощью радиального упорного подшипника
установлена горизонтальная платформа 3, обеспечивающая разворот устройства в
азимутальной плоскости.
На горизонтальной платформе
установлены две вертикальные опоры 4 с подшипниками скольжения, в которых
вращается качающаяся часть 5. Она обеспечивает разворот радиометра в плоскости
угла места. На качающейся части закреплен радиометр 6.
Для регистрации углов
разворота радиометра применены два датчика углов – по азимуту 7 и углу места 8.
Датчики углов представляют собой линейные кольцевые потенциометры, сопротивление
которых изменяется в зависимости от угла разворота. Каждый из потенциометров
запитан от стабилизированного источника питания 3,2 В. С движков потенциометров
постоянные напряжения, пропорциональные углам разворота оси радиометра, по
кабелям поступают через плату АЦП – ЦАП L–305 или Е14–440
в ЭВМ 9 для регистрации.
Таким образом, в ЭВМ через
плату АЦП – ЦАП поступают выходные сигналы с каждого канала радиометра через
блок усилителей 10, а также сигналы с датчиков азимута и угла места.
Для обеспечения совмещения
оператором оси радиометра с направлением на воздушную цель применен оптический
визир 11, который закреплен на корпусе радиометра с помощью юстировочного
устройства 12. Совмещение осей радиометра и оптического визира (юстировка)
выполнялось по удаленному источнику излучения, находящемуся на расстоянии 500
м.
Определение дальности до
воздушной цели осуществляется с помощью малогабаритного переносного лазерного бинокля–дальномера
ЛДИ–3–1 13.
Вешний
вид мобильного измерительно-вычислительного комплекса показан на рисунке 3.
Рисунок 3 – Внешний вид
мобильного измерительно-вычислительного комплекса
Примененный мобильный ИВК
имеет следующие характеристики:
ширина поля зрения
радиометра: 26
26 минут дуги;
рабочие спектральные
диапазоны: 3–5 и 8–13 мкм;
пороговая чувствительность
по энергетической яркости:
для диапазона 3–5 мкм: 1,98·10–6 Вт·см–2·ср–1;
для диапазона 8–13 мкм: 9,09·10–6 Вт·см–2·ср–1;
погрешность измерения
энергетических яркостей:
для диапазона 3–5 мкм: 8,4 %;
для диапазона 8–13 мкм: 9,2 %;
сектор сканирования: по
азимуту: ±150º;
по углу места: 0–47º;
диапазон измеряемых
расстояний: от 150 до 10000 м.
Выделение полезного сигнала
цели на фоне естественных помех, создаваемых облачной атмосферой, как правило невозможно
без наличия априорной информации о характеристиках излучения целей и фонов. В
связи с этим созданный мобильный измерительно-вычислительным комплекс, с использованием
которого были проведены измерения, позволил проводить исследования излучений,
как фонов, так и целей на текущем фоне. Достоинством этих измерений является
то, что излучение фона и цели производится одной измерительной аппаратурой, имеющей
одни и те же характеристики.
Наблюдение осуществляется в
диапазонах 3–5 и 8–13 мкм в одном поле зрения. Сопровождение воздушных целей по
угловым координатам выполнятся оператором вручную. Регистрация результатов
измерений осуществляется с помощью ЭВМ.
литературы
1. Соловьев В. А., Купреев
А. В. Применение радиометрического комплекса для исследования собственного
излучения воздушных целей в инфракрасном диапазоне волн // ЦНИИ МО
РФ. Москва, 2006. - 16 с.
EQUIPMENT FOR RESEARCH OF
STATISTICAL CHARACTERISTICS OF RADIATION OF AIR TARGETS AND THE BACKGROUND IN
RANGES OF LENGTHS OF WAVES 3 – 5 AND 8 – 13 MICRONS
Zhendarev M. V., Solovyev V. A., Makarov M. S., Alekhin A. V.
The plan of construction of the mobile izmeritelno-computer complex (ICC)
consist that in it the radio meter working in two ranges (2,6–4,2 and 8–13
microns) is used, and supervision is carried out in both ranges in one field of
vision. The choice of a range 2,6–4,2 microns has been caused by presence of
the receiver of the radiant energy possessing sufficient sensitivity. Registration
of results of measurements is carried out with pomo-shchju the computer. With a
view of reception of enough full information on radiation air ob-ektov its
power brightness in two spectral diapazo-nah, and also an azimuth and a place
corner that allows to investigate radiations of air objects in dynamics
simultaneously is registered.
Key words: atmospheric background, radiometr, objec
Военная академия войсковой ПВО Вооруженных
Сил Российской Федерации
имени Маршала Советского Союза А.М.
Василевского
(ВА ВПВО ВС РФ)
Поступила в редакцию 20.09.2011.