Открытая и взаимозависимая архитектура тепловизионных приборов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

54

Р. М. Алеев, Д. Р. Алеев

16. Пат. 2273036 РФ. Способ создания семейства комплексированных систем наблюдения, распознавания и прицеливания на основе семейства универсальных объективов и комплексированная система для его реализации / Г. С. Мельников, Г. А. Донцов и др. ОАО „ТКС—Оптика". 2003.

17. Пат. 2305393 РФ. Оптико-электронная комплексированная система наблюдения и распознавания, работающая в УФ, видимой и ИК-областях спектра / Г. С. Мельников, Г. А. Донцов и др. ОАО „ТКС— Оптика". 2005.

18. Пирогов Ю. А., Гладун В. В., Иванов В. С. и др. Многолучевые системы пассивного радиовидения миллиметрового диапазона. М.: Изд-во МГУ, 1999.

19. Pirogov Yu. A., Gladun V. V., Shlemin I. V. et al. Super-resolution and coherent phenomena in multi-sensor systems of millimeter-wave radio imaging // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5077. P. 110—120.

20. Тимановский А. Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения: Автореф. дис. ... канд. физ-мат. наук. М., 2007.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.

СПбГУ ИТМО

УДК 621.383

Р. М. Алеев, Д. Р. Алеев

Научно-производственная фирма „ ОПТООЙЛ" Казань

ОТКРЫТАЯ И ВЗАИМОЗАВИСИМАЯ АРХИТЕКТУРА ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ

На основе синергетического подхода, когда целое (тепловизионный прибор) обладает свойствами, отсутствующими у его частей (модулей), сформулированы принципы разработки тепловизионных приборов с открытой модульной архитектурой, обладающей максимальным модернизационным потенциалом.

Ключевые слова: Синергетический эффект, открытая архитектура, взаимозависимая (закрытая) архитектура, принципы создания тепловизионных приборов с открытой архитектурой, пространство (плоскость) объектов и их изображений, базовые присоединительные поверхности, воздушное и наземное базирование.

В современных экономических условиях при производстве оптических и оптико-электронных приборов в целях поддержания необходимого уровня его прибыльности определяющую роль играют такие конкурентные показатели, как скорость выхода новой разработки в серийное производство, уровень ее „интеллектуальности", гибкость производственно-технологических линий, снижение накладных расходов.

Широкий выбор взаимозаменяемых оптических, оптико-электронных и, в частности, тепловизионных приборов (ТВП) обусловливает для производителей ТВП необходимость ориентироваться на узкие сегменты рынка: например, установку приборов на платформы воздушного, наземного или морского базирования в составе поисковых, обзорных, обзорно-прицельных и других систем.

Современные технологии и степень технического совершенства такого сложного продукта, как ТВП приводят к тому, что при достижении требуемого уровня его функциональной надежности качество прибора перестает быть заметным конкурентным преимуществом.

Открытая и взаимозависимая архитектура тепловизионных приборов

55

А такие технические свойства ТВП, как сканирование в сходящихся или параллельных пучках вообще малозначимы.

Мировой рынок конкурентных предложений и выполнение производителями ТВП требований соответствия международным стандартам качества выводят на первый план удовлетворение индивидуальных запросов потенциальных покупателей. Для этой цели большинство производителей предлагают заказчику возможность выбора продукта индивидуальной конфигурации при его реализации за короткий срок. Разработка продукта открытой архитектуры, формируемой по модульному принципу, преследует эти же цели.

Архитектура ТВП является открытой модульной, если его создание и производство не зависят от того, как разработаны его отдельные модули. Место соприкосновения двух модулей ТВП называется контактной зоной или — в современной терминологии — интерфейсом, который может быть механическим, информационным, технологическим, эксплутационным, ценовым и т.д. Если в контактной зоне появляются непредсказуемые взаимосвязи, то производителю ТВП необходимо одновременно разрабатывать и создавать оба модуля. Архитектура ТВП называется взаимозависимой (интегральной) закрытой, если хотя бы один его компонент нельзя создать отдельно от других, т.е. если его разработка и производство зависят от того, как разработаны и производятся остальные составляющие [см. лит.]. Варианты взаимозависимых (закрытых) и открытых модульных архитектур — это две крайние точки „динамического диапазона" существования архитектур ТВП, и большинство востребованных, по-видимому, находятся между ними.

Производитель быстрее добивается успеха, если архитектура любого продукта определяется конкуренцией на рынке. На начальном этапе развития данной техники, когда конкуренция разворачивается вокруг качества прибора, производитель не может себе позволить собирать ТВП из стандартных компонентов. В этом случае он должен контролировать разработку и производство всех важнейших компонентов, определяющих качество ТВП. При переизбытке качества, не оцениваемом потребителем, появляется техническая возможность перейти от закрытой интегрированной конструкции ТВП к открытой модульной конструкции. С технической точки зрения, если конкуренция разворачивается вокруг качества ТВП, модульная архитектура — это поражение. Но если происходит насыщение рынка продаж и требуется быстрое освоение новых ниш при финансово-временных ограничениях, модульный принцип открытой архитектуры имеет бесспорное преимущество с учетом серьезного модернизационного запаса.

Рассмотрим основные принципы разработки ТВП с открытой модульной архитектурой. В состав ТВП входят следующие компоненты: телескопическая насадка (ТН), развертывающее устройство (РУ), узел калибровки (УК), фотоприемное устройство (ФПУ), блок электронной обработки (БЭО) и видеосмотровое устройство. Наиболее функционально значимым, например, для ТВП 2-го поколения является развертывающее устройство, которое, по существу, определяет архитектуру прибора — открытую модульную или закрытую взаимозависимую. По мнению авторов настоящей статьи, в ТВП 2-го поколения РУ и сам прибор должны удовлетворять ряду принципиальных требований (руководящим установкам для конструктора), при выполнении которых РУ превращается в универсальный тепловизионный модуль (УТМ2), а ТВП становится прибором с открытой архитектурой с присущей ей длительным модернизационным запасом.

На рис. 1 в виде структурной схемы представлены основные принципы разработки УТМ2 и ТВП с открытой модульной архитектурой.

Практическое следствие одного из основных принципов разработки ТВП с открытой модульной архитектурой — наличие внутренней и внешней базовых поверхностей — рассмотрим на вариантах „привязки" модуля УТМ2 к платформам воздушного (ВБ) и наземного (НБ) базирования, называемых далее носителями. Понятно, что предварительно оптическая ось модуля УТМ2 должна быть „привязана" к его внешней базовой присоединительной поверхности (БПП). Взаимная ориентация в пространстве базовых поверхностей УТМ2 и носителя представлены на рис. 2. (На рисунке телескопическая насадка и узел калибровки не показаны.)

Принципы

Следствия

Принципы

Следствия

Рис. 1. Основные принципы разработки ТВП с открытой модульной архитектурой

Ось сканера

УПрямой ход развертки

Линейка ФП

■ Зеркало

.. сканера

Зеркало ЧС (черезстрочной развертки)

Базовые поверхности „а" и „б" в плоскости voz и хоу соответственно в системе координат УТМ2. Ось ФП и ось сканера параллельны оси oz

Направление движения V изображения по линейкам ФП

в фокальной плоскости хоу

Направляющее зеркало

Оптическая схема УТМ2 в изометрии

Строительные оси носителя

ATZ'

1ЛОСКОСТЬ

объектов

Вид проекции ФП и направление ОХ" движения проекции линеек ФП в пространстве объектов в плоскости А"" О Г

Базовые поверхности „А" и „Б" носителя, относительно которых через промежу точные механические интерфейсы ориентируются базовые поверхности „а" и „б" УТМ2

Ось 02' — продольная ось носителя в направлении движения или полета

Рис. 2. Взаимная ориентация е пространстве базовых поверхностей УТМ2 и носителя

58

Р. М. Алеев, Д. Р. Алеев

При установке ТВП на платформу воздушного базирования ТН расположена перед направляющим зеркалом (НЗ), и его оптическая ось параллельна базовой поверхности „а" (А) и оси (О£), см. рис. 2. При установке ТВП на платформу наземного базирования ТН расположена после НЗ, и его оптическая ось параллельна базовой поверхности „б" (Б) и оси ох (ОУ). Некоторые наиболее часто встречающиеся схемы „привязки" модуля УТМ2 к БПП носителей представлены на рис. 3.

а)

НБ

б)

НЗ

ВБ

__ БПП

/

1

НЗ

ТН

,А"

УТМ2

Направление движения

Направление полета

в) НБ

НЗ

ТН УТМ2

БПП „Б"

9

Направление движения

г)

ВБ

Направление полета

д) НБ

БПП „Б"

А

ТН

е) ВБ

УТМ2

2

БПП „А"

Направление движения

НЗ

Направление полета

Рис. 3. Схемы „ привязки " УТМ2 к базовым поверхностям носителя

В варианте, приведенном на рис. 3, а, б, входное окно УТМ2 расположено параллельно горизонтальной БПП „А", параллельной плоскости „А" (см. рис. 2). Платформа, образующая верхнюю горизонтальную плоскость корпуса УТМ2, является несущей для модулей, входящих в его состав, к ней также может крепится защитный кожух.

В состав УТМ2 входят следующие модули: развертывающее устройство, фотоприемное устройство, узел калибровки, блок электронной обработки. Конструктивно модуль РУ2 состоит из модуля сканирующего устройства и модуля фокусирующей оптики, смонтированных на единой платформе, имеющей базовую поверхность, что позволяет проводить независимую юстировку и настройку, а также устанавливать модуль РУ2 в УТМ2. Модуль ФПУ состоит из фотоприемника (ФП), микрокриогенной системы и блока ее управления, смонтированных на корпусе держателя ФП, который обеспечивает установку ФПУ в УТМ2. Модуль электронной обработки состоит из электронного блока, блоков питания и общего кронштейна, посредством которого модуль устанавливается в УТМ2. При снятом защитном кожухе обеспечивается доступ ко всем компонентам УТМ2. При данной компоновке УТМ2 ось сканера и ось ФП параллельны оси движения носителя, центр масс УТМ2 должен быть максимально приближен к БПП „А" (см. рис. 3, а, б).

Открытая и взаимозависимая архитектура тепловизионных приборов

59

В варианте, приведенном на рис. 3, в, г, для обоих видов носителей предлагается расположить входное окно УТМ2 в вертикальной плоскости модуля, параллельной плоскости „Б" (см. рис. 2), которая в данном случае является базовой присоединительной поверхностью. Конструктивная особенность рассматриваемого варианта заключается в наличии в составе УТМ2 дополнительного ломающего зеркала. Доступ к компонентам УТМ2 осуществляется при снятом кожухе. При данном расположении и компоновке модуля оси сканера и ФП также параллельны оси движения носителя.

В варианте, приведенном на рис. 3, д, е, для обоих видов носителей предлагается расположить входное окно УТМ2 горизонтально. Присоединительных базовых поверхностей будет две — вертикальная БПП „Б" и горизонтальная БПП „А". В отличие от предыдущих вариантов крепление УТМ2 осуществляется к его нижней горизонтальной плоскости, что обеспечивает дополнительные удобства при проведении ремонтных и настроечных работ. Дополнительное крепление УТМ2 к вертикальной БПП „Б" требуется при его установке на носитель наземного или воздушного базирования при серьезных ударных нагрузках и наличии проблемы отвода тепла. Доступ к компонентам УТМ2 осуществляется при снятом кожухе. Оси сканера и ФП при заданном расположении и компоновке модуля параллельны оси движения носителя.

В рассмотренных схемах „привязки" компоновка УТМ2 удовлетворяет принципу ремонтопригодности и обеспечивает удобство юстировки, настройки и эксплуатации ТВП в соответствии с рис. 1.

В заключение необходимо отметить следующее. Анализ российского (советского) теп-ловизионного приборостроения показывает, что задача разработки первого отечественного серийного ТВП, как 1-го, так и 2-го поколения, с одновременным выполнением требования модульности конструкции до сих пор не решена, ибо на существовавшей в то время элементной базе предельно достижимые характеристики ТВП по дальности обнаружения и распознавания при жестких ограничениях на массогабаритные параметры могли быть реализованы только прибором с взаимозависимой закрытой архитектурой (интегральной конструкции). Подтверждением этого тезиса является ТВП 2-го поколения „Модуль-Авиа", разработанный ФГУП „НПО ГИПО" (Казань), бесспорным лидером отечественного тепловизионного приборостроения. По существу, этот ТВП не имеет модернизационного запаса, поэтому для его установки на другую платформу (также воздушного базирования) требуется новая разработка, что приведет к новым финансово-временным затратам.

Эволюционный ход развития элементной и технологической базы диктует, по мнению авторов, необходимость перехода к открытой модульной архитектуре ТВП и их серийному производству. Это потребует и организационного развития и дезинтеграции производственных структур, что представляется вполне оправданным в целях получения максимальной прибыли от производства ТВП с открытой модульной архитектурой.

Christensen C. M., RaynorM. E. The Innovator's Solution / Harvard Business School Publishing Corporation. 2003.

литература

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов и систем

Поступила в редакцию 14.01.08 г.

СПбГУ ИТМО