Селекция и идентификация типов инспектируемых оптико-электронных систем на основе пеленгационной характеристики Текст научной статьи по специальности «Физика»

СЕЛЕКЦИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТИПОВ ИНСПЕКТИРУЕМЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПЕЛЕНГАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ П.Б. Рудометова Научный руководитель - д.т.н., профессор В.В. Коротаев

В работе ставилась задача исследования возможности селекции и идентификации типов инспектируемых ОЭС при помощи пеленгацоионной характеристики.

Введение

В современном мире одной из актуальных задач является проблема дистанционного обнаружения скрытого несанкционированного наблюдения при помощи фотоаппаратов, видеокамер, а также оптических прицелов и других оптических приспособлений. В комплексе проблем обеспечения обороноспособности одно из ведущих мест занимают проблемы оптико-электронной борьбы, включающие обнаружение, распознавание и оказание эффективного противодействия оптико-электронным приборам (ОЭП) разведки, наблюдения и управления оружием. Это обусловлено постоянно увеличивающимся количеством ОЭП в системах управления и вооружения, расширением их функциональных возможностей и диапазона решаемых задач, повышением эффективности боевого использования. В недалеком прошлом оптические и оптико-электронные устройства лишь облегчали оператору прицеливание, наблюдение, измерение координатных и траекторных параметров. В последние годы интенсивное развитие оптоэлек-троники привело к новым применениям ОЭП в военной технике, основанным на использовании перестраиваемых лазеров, систем наведения управляемых ракет по волоконно-оптическим линиям связи, низкоуровневого твердотельного телевидения и модульной тепловизионной техники.

Наиболее эффективным методом обнаружения оптико-электронных приборов является метод лазерной локации.

Принцип действия активных систем обнаружения ОЭС

Принцип действия систем обнаружения, построенных по методу лазерной локации, основан на эффекте световозвращения, или «обратного блика». Причина возникновения эффекта «обратного блика» заключается в том, что в фокальной плоскости любой оптической системы обязательно находится какой-либо светоотражающий элемент: стеклянная пластина с нанесенной на нее сеткой (оптические прицелы, бинокли), фотопленка или ПЗС-матрица (фото- и видеокамеры), фотокатод электронно-оптического преобразователя (приборы ночного видения) или даже сетчатка человеческого глаза. В результате отражения от этого элемента лазерное излучение возвращается в том же направлении, откуда оно пришло. Любой оптический прибор выступает в роли светоотражателя, т.е. дает обратный блик во всем поле своего зрения [1].

Принцип действия разрабатываемого прибора представлен на рис. 1. Прибор состоит из приемного и передающего канала, где 1 - излучатель; 2 - оптика излучателя; 3 - плоское зеркало; 4 - защитное окно; 5 - фотоприемник; 6 - объектив фотоприемника. Из-за явления световозвращения зондирующего излучения возникает необходимость совмещения оптических осей приемного и передающего каналов разрабатываемого прибора при помощи специальной конструкции согласующей оптики. Разрабатываемый прибор предполагает ручное сканирование, поэтому не требуется большого поля зрения фотоприемника и расходимости излучающего канала [2, 3].

Представленный вариант схемы построения обнаруживающего прибора является наиболее подходящим и рациональным для поставленных целей обнаружения.

Рис. 1. Принцип действия активной системы обнаружения оптических приборов

Постановка задачи

Важной задачей является разработка методов и технических решений, обеспечивающих возможность селекции и идентификации типов инспектируемых оптико-электронных систем (ОЭС). Действительно, во многих случаях очень важно идентифицировать регистрируемый блик от ОЭС, отселектировать его от бликующих световоз-вращающих ложных целей или от случайных природных бликов, возникающих при зеркальном или диффузном отражении зондирующего излучения [4].

Эффект световозвращения проявляется практически всегда при засветке входного зрачка ОЭС лазерным излучением в определенном диапазоне длин волн, однако характер его проявления весьма специфичен и зависит от свойств ОЭС. Так, интенсивность ретроотраженного излучения при равной освещенности входного зрачка может изменяться для различных ОЭС на 5-6 порядков. В то же время и для конкретного ОЭС интенсивность ретроотраженного излучения значительно изменяется при изменении значения его длины волны. Для сравнительной оценки световозвращательной способности различных ОЭС используются основные световозвращательные характеристики. К ним относятся показатель световозвращения (ПСВ), индикатриса отражения, пеленгацион-ная характеристика. В большинстве случаев для селекции ОЭП нет необходимости проведения полного анализа всех световозвращательных характеристик, а достаточно ограничиться расчетом и измерением только одного их вида.

В представленной работе поставлена задача исследования пеленгационной характеристики обнаруживаемого прибора и использования ее свойств в целях селекции и индификации ОЭП.

Исследование пеленгационной характеристики для обнаружения и распознания

Пеленгационной характеристикой ОЭП Я(а) называется зависимость показателя световозвращения (ПСВ) ОЭП от угла пеленга а. Угол пеленга а есть угол между векторами N и Р0, где вектор N направлен вдоль оптической оси ОЭП, а вектор Ро указывает направление на источник подсвета (входное окно передающей системы) [5].

Отношение энергетической силы отраженного излучения в каком-либо направлении относительно оси подсветки к энергетической освещенности, созданной источником подсветки на входной апертуре прибора, называется показателем световозвраще-ния (ПСВ) данного прибора в данном направлении. Измеряется этот параметр в соответствующих единицах (м2/ср). Угловое распределение ПСВ относительно оси подсветки описывается его индикатрисой. Ширина индикатрисы ПСВ для большинства приборов с апертурой, не превышающей нескольких сантиметров, находится в пределах 0,1-20 мрад. Для более значительных углов значение ПСВ, как правило, очень мало (на несколько порядков меньше, чем значения, характерные для центральной, приосе-вой области индикатрисы). Форма индикатрисы (абсолютные значения ПСВ и их распределение по углу) сильно зависит от типа прибора, длины волны излучения подсветки, а также угла пеленга - угла наклона оптической оси прибора к оси подсветки.

ПСВ ОЭС - Я(р) в некотором направлении р(ух, уу) распространения ретроотра-женного излучения представляет собой отношение силы света излучения 1(р), отраженного в выбранном направлении, к облученности входного зрачка ОЭС - Е0:

=1 (р)/£ (м2/ср),

Я(Р) =

(1)

где

Ео =

dФ1

(2)

Ф1 - поток излучения, падающий на входной зрачок; £ - площадь входного зрачка обнаруживаемой ОЭС.

I (Р) = ^

(3)

йю(р)

Ф2 - поток излучения, отраженный от оптических компонент обнаруживаемой ОЭС; й(р) - телесный угол, в котором распространяется отраженное в некотором направлении излучение.

т =

ёФ ёФ12 Р

пdd 4

22 тос 2 Р^

ёО ёФ

лёф2 4

ёф2

(4)

Из выражения (4) следует, что ПСВ зависит от изменения угла ф, т.е. угла расходимости излучения после отражения от обнаруживаемого объекта и диаметра входного зрачка обнаруживаемого ОЭС.

объект

Рис. 2. Распространение ретроотраженного излучения

Рис. 3. Распределение ПСВ в зависимости от направления распространения

ретроотраженного излучения

Рассмотрим пеленгационную характеристику Я(а) преломляющих поверхностей оптической системы ОЭП при зондировании его излучением удаленного источника подсвета. Для этого рассмотрим отражение зондирующего излучения от произвольной кой преломляющей поверхности оптической системы ОЭП.

Введя параметры произвольного луча в меридиональной плоскости как ук - координата луча при главных плоскостях Нк _1 и И к _, угол пеленга ф можно вывести из соотношения, связывающего параметры луча на входе с параметрами луча на выходе из прибора после отражения от к-ой поверхности оптической системы.

Ширина пеленгационной характеристики к-ой поверхности оптической системы определяется ходом главного луча и не превышает удвоенного угла пеленга, при котором главный луч проходит через край виньетирующей диафрагмы оптической системы их (к-1) поверхности. С другой стороны, очевидно, что ширина пеленгационной характеристики к-ой поверхности не может превышать углового размера светового диаметра первого компонента, определяемого из центра зрачка световозвращателя. Поэтому для предварительных оценок достаточно знать максимально возможную ширину пеленга-ционной характеристики к-ой поверхности ОЭП, равную

[2 аг^(Бсв/2|г1|),к = 1 (5)

т,к [2аг^(Бсв/2|/»к|),к > 2,

где Рсв - световой диаметр первого компонента оптической системы ОЭП.

Форма пеленгационной характеристики Я(а) ОЭП зависит от конструктивных параметров и аберраций его объектива в прямом ходе. Аналитическая зависимость ПСВ ОЭП от угла пеленга ф имеет вид

Л(Ф) = ■

*хФх/,4

(Д-сэ/Ф2)(Д_ Р/Ф2)

(6)

где тх - коэффициент пропускания прибора; сэ,Рэ - коэффициенты зависящие от конструктивных параметров и аберраций объектива прибора; / - фокусное расстояние объектива прибора; А - дефокусировка относительно гауссовой плоскости. Исследование приведенной зависимости показывает, что пеленгационная характеристика ОЭП Я(а) при значении угла пеленга

[Д(э + Рэ )

*

Ф =

2/Сэ Рэ

имеет минимум, а при двух значениях угла пеленга,

(7)

Фс =

Д

~7Т- и Фр =,

/Сэ \

Д (8)

/Р.

имеет максимумы. Зависимость ПСВ ОЭП от угла пеленга а приведена на рис. 4.

4

И(а)

200

100

О 0,5 1° ° 2° 2,5°

Рис. 4. Пеленгационная характеристика

Анализ приведенных формул показывает, что функция ^(а) имеет минимумы и максимумы при выполнении соответствующих условий:

/ sign(m) > 0,

/ ^(сэ ) > 0,

/ ^(Ц, ) > 0 ,

(9)

где т = шт{сэ |, |.Оэ}. Если эти условия не выполнены, то максимумы или минимумы

функции ^(а) могут отсутствовать.

При отражении от визирных сеток, стоящих вблизи задней фокальной плоскости однокомпонентных объективов, получаем положение: ширина пеленгационной характеристики определяется относительным отверстием объектива прибора, но не превосходит величины углового поля зрения прибора в пространстве предметов 2а:

2фт = шт{2®,2аг^(Всв/2/')}.

Можно сделать вывод, что любому оптическому прибору соответствует своя пе-ленгационная характеристика.

Теперь рассмотрим более подробно случаи потери полезного излучения при рет-роотражении от обнаруживаемого объекта под некоторым углом пеленга а. Введем дополнительно коэффициент та, учитывающий эти потери [6, 7]. Рассмотрим предельные углы, под которыми можно обнаружить объект. Очевидно, что существуют углы, при которых объект зарегистрировать невозможно [8].

Для расчета потерь полезного излучения и коэффициента та обратимся к рис. 5. Из рисунка видно, что при падении излучения на обнаруживаемый объект под некоторым углом к его оптической оси часть отраженного от сетки излучения теряется из-за ограничения его выходным зрачком (луч 1 на рис. 5, а). Так, при падении излучения под некоторым углом а лучи отразятся от сетки и выйдут только из заштрихованной области (рис. 5, б).

Найдем коэффициент та, который зависит от угла а и равен отношению площади заштрихованной области Я' к площади всего зрачка £об:

£

об

а)

h'

v

б)

Рис. 5. Схема определения предельного угла наблюдения объекта

Если угловое разрешение объекта, т.е. отношение r/R, меньше угла расходимости излучения подсветчика, то площадь излучения падающего на входной зрачок

где ß кта; а -

угол между оптической осью обнаружителя, т.е. падающего излучения и оптической осью отражающего объекта.

Допустим, выполняется условие, при котором угловое разрешение объекта, т.е. отношение r/R, меньше угла расходимости излучения подсветчика, тогда коэффициент та можно найти из формулы

Можно сделать вывод, что коэффициент та зависит от двух параметров системы: от угла а между оптической осью обнаружителя и оптической осью отражающего объекта, и от относительного отверстия самого отражающего объекта, то есть от диафраг-менного числа //с1.

Зависимость та(а) приведена на рис. 6. Зависимость мощности излучения, отраженного от оптических компонент обнаруживаемого оптико-электронного прибора, от угла пеленга а аналогична зависимости коэффициента та от угла пеленга а (рис. 7).

Предельные значения а=атах соответствуют та(а)=0. Так, при относительном отверстии /М=1 предельный угол равен 27°. При _//С=1,5: атах=18,5°, и т.д. Можно сделать вывод, что при увеличении значения диафрагменного числа предельный угол, при котором еще можно зарегистрировать отражение от обнаруживаемого объекта, становится меньше.

5'об = псС2 / 4. Можно показать, что площадь возвращаемого пучка составляет (см. рис. 5, б)

(12)

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

=1

С<1= =1.

-2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 О.,град Рис. 6. Зависимость та(а) для трех значений диафрагменного числа

Ра.Вт 1 Ртах

0.9 Ртах

0.8 Ртах

0.7 Ртах

0.6 Ртах

0.5 Ртах

0.4 Ртах

0.3 Ртах

0.2 Ртах

0.1 Ртах

0

< = 1

Г.1 = 1.:

-2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 О.,град Рис. 7. Зависимость Ра(а) для трех значений диафрагменного числа

а

■так

Я

Рис. 8. Зависимость максимального угла наблюдения объекта в зависимости от диа-

фрагменного числа объектива

На рис. 8 приведен график зависимости из которого следует, что боль-

шему значению диафрагменного числа соответствует большее значения максимального угла, под которым можно зарегистрировать объект. Следует отметить, что большему значению ¡/С соответствуют объективы зрительных труб, снайперских винтовок {¡14 до

^/13,6); меньшему - объективы приборов ночного видения и тепловизоров (от.//1,4 до /2,8), что в определенных условиях позволяет проводить селекцию объектов.

Заключение

В ходе данной работы была представлена принципиальная схема построения и действия активной системы обнаружения ОЭС, была рассмотрена пеленгационная характеристика, которая зависит от относительного отверстия определенного типа оптико-электронного прибора. В результате исследований была выведена математическая зависимость, показывающая, каким образом угол пеленга, т.е. угол отклонения оптических осей обнаруживаемого прибора и обнаружителя, влияет на потери мощности зондируемого излучения. Также была выведена и представлена зависимость максимально возможного угла обнаружения, т.е. угла пеленга, от диафрагменного числа, что в свою очередь позволит производить селекцию обнаруживаемых приборов.

Литература

1. Тезисы докл. 5-ой Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2007», Санкт-Петербург, 2007.

2. Ишанин Г.Г. Источники излучения для ОЭП. - Л.: ЛИТМО, 1984. - 239 с.

3. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. - СПб.: Папирус, 2003 г. - 527 с.

4. Волков В.Г. Применение активно-импульсных приборов наблюдения для видения бликующих элементов. // Вопросы оборонной техники. - 1995. - Серия 11. -Вып. 1-2 (144-145). - С. 3-7.

5. Барышников Н.В., Карасик В.Е. Современные задачи разработки локационной аппаратуры для дистанционного обнаружения оптических приборов. - Режим доступа: http://www.licexpo.ru/2002/news/publications/494.stm

6. Тимофеев О.П. Энергетический расчет измерительных оптико-электронных систем с лазерами. - Л.: ЛИТМО, 1986 г. - 56 с.

7. Коротаев В.В., Мусяков В.Л. Энергетический расчет ОЭП. Учебное пособие. -СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006.

8. Ермаков Б.А. Оптико-электронные приборы с лазерами. - Л.: ГОИ, 1982. - 200 с.