Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тепловизионная система как объект испытаний. Характе ристики системы и обобщенные критерии оценки качества 20
1.1. Общие характеристики развития тепловизионных систем и их особенности 21
1.1.1. Уровень и тенденции развития зарубежных ТВП 21
1.1.2. Уровень и перспективы развития отечественной переносной и возимой тепловизионной техники обнаружения и прицеливания 27
1.2. Перспективы совершенствования ТВП на основе использования унифицированных модулей 34
1.3. Основные параметры, характеристики и критерии оценки качества ТВП 40
1.4. Влияние особенностей зрительного анализатора и дисплея в ТВП обнаружения и прицеливания на требования к элементам систем контроля параметров 53
1.4.1. Требования к оптимальным условиям работы зрительного анализатора в ТВП 53
1.4.2. Индикаторные устройства (дисплеи) и требования к ним для обеспечения условий оценки качества ТВП 59
1.5. Развитие действующей системы параметров ТВП обнаружения, распознавания и прицеливания 60
Глава 2. Виды испытаний аппаратуры и области применения ТВП 67
2.1. Виды испытаний аппаратуры военного назначения (наземной, морской, авиационной) 67
2.2. Выделение областей применения ТВП 76
2.3. Особенности контроля и измерений параметров ТВП дистанционного действия в стендовых условиях 83
2.4. Требования к измерительной аппаратуре стендовых и полигон ных испытаний 86
2.5. Требования к контрольно-проверочной аппаратуре для обеспече ния эксплуатации ТВП 90
Глава 3. Аппаратура для оценки характеристик ТВП в условиях стендовых испытаний 95
3.1. Измерительные комплексы и стенды для оценки параметров и характеристик ТВП 97
3.2. Аппаратура для имитации характеристик излучения объектов-целей и фонов 113
3.3. Аппаратура согласованного по дальности ввода источников излучения в поле зрения ТВП 126
3.4. Аппаратура контроля условий внешних и входных воздействий на ТВП 139
3.5. Автоматизация измерений и аппаратура обработки результатов измерений в стендовых условиях 145
Глава 4. Аппаратурное обеспечение натурных испытаний 158
4.1. Радиометрические тепловизионные приборы 160
4.2. Полноразмерные тест-объекты и имитаторы 168
4.3. Измерители прозрачности атмосферы 180
4.4. Сравнение уровня отечественных разработок с зарубежными 183
Глава 5. Контрольно-проверочная аппаратура для обеспечения эксплуатации тепловизионных прицелов 193
5.1. Назначение, состав КПА и перечни основных параметров 194
5.2. Особенности и описание КПА изделия 1ПН65 (9В974) 197
5.3. Особенности и описание КПА изделия 1ПН79 (9В679) 201
5.4. Особенности и описание КПА изделия 1ПН86-ВИ (9В9001) 204
Глава 6. Метрологические аспекты измерений и контроля харак теристик тепловизионных систем 216
6.1. Требования к системе метрологического обеспечения производства и эксплуатации ТВП 216
6.2. Структура действующей в НПО ГИПО системы метрологического обеспечения измерений и контроля характеристик ТВЦ 222
6.3. Методические аспекты измерений и контроля характеристик тепловизионных систем 230
6.3.1. Расчет величин разности энергетических яркостей и разно сти радиационных температур на выходе обобщенной опти ческой схемы 231
6.3.2. Анализ экспериментально-расчетного метода калибровки контрольно-испытательных стендов в величинах разности энергетических яркостей и разности радиационных темпера тур 236
6.3.3. Метод калибровки контрольно-испытательных стендов 241
6.4. Результаты экспериментальной проверки качества калибровки испытательных дифференциальных стендов 246
6.5. Технологический контроль оптических параметров объективов с асферическими рабочими поверхностями 252
6.5.1. Измерения размера наименьшего кружка рассеяния 254
6.5.2. Измерения фокальных и рабочих отрезков 255
6.5.3. Метод измерений заднего фокального отрезка S'f, 256
6.5.4. Метод измерений рабочего отрезка S'p>. 257
6.5.5. Измерения коэффициента пропускания 258
6.6. Перспективные задачи разработок и совершенствования методов и средств контроля характеристик тепловизионных приборов и систем 260
Выводы к главе 6 262
Заключение. Основные выводы и результаты работы 264
Список использованных литературных источников 271
Приложения 289
- Перспективы совершенствования ТВП на основе использования унифицированных модулей
- Выделение областей применения ТВП
- Аппаратура для имитации характеристик излучения объектов-целей и фонов
- Полноразмерные тест-объекты и имитаторы
Введение к работе
В настоящей работе обобщены результаты исследований и разработок, выполненных автором в период с 1982 по 2004 г. и направленных на создание, развитие и внедрение в тепловизионное приборостроение специальной контрольно-измерительной техники и обеспечивающей ее применение комплексной научно-технической методологии. Решение указанной проблемы составляет основу получения достоверной и оперативной информации о параметрах и характеристиках тепловизионных приборов (ТВП) различного назначения на стадиях их разработки, серийного изготовления и эксплуатации.
Актуальность работы
Одной из важнейших задач в области разработки, серийного изготовления и войсковой эксплуатации тепловизионных систем различного назначения является задача создания специальных измерительных средств, обладающих необходимыми и достаточными свойствами для оценки характеристик ТВП.
В российской оптической отрасли в соответствии со сложившейся многолетней мировой практикой измерительным средствам различного назначения всегда придавалось очень большое значение, поскольку здесь создавались высокоточные инструменты для исследований и решения практических задач в подавляющем большинстве сфер человеческой деятельности. Однако широчайшие достижения во всех областях оптического приборостроения обеспечивали решение проблем в привычной, в общем понимании, видимой области спектра.
В последние несколько десятилетий стремительное развитие техники ночного видения [1] и, в частности, тепловидения как составной части современных вооружений ориентирует разработчиков на создание нового класса контрольно-измерительных приборов и комплексов, обеспечивающих оценку
параметров и свойств тепловизионных систем всех классов в процессе разработки и изготовления, а также контроль их состояния в период эксплуатации.
Это, в свою очередь, влечет за собой освоение новых оптических технологий, создание высококачественных, стабильных источников излучения, применение новейшей радиоэлектронной элементной базы и современных вычислительных средств обработки информации.
Актуальность проблем создания контрольно-измерительных средств на настоящем этапе развития тепловидения обусловлена следующими основными причинами:
- использованием разрабатываемых ТВП в новейших образцах высокоточного оружия, комплексированием каналов с различными спектральными диапазонами в единые системы управления вооружений и военной техники;
- необходимостью увеличения дальности действия ТВП, что связано с их постоянным совершенствованием в части повышения температурной чувствительности и пространственного разрешения;
- постоянно ужесточающимися требованиями к обеспечению работоспособности ТВП в условиях войсковой эксплуатации;
- требованиями оптимизации контрольно-измерительных систем с точки зрения необходимости и достаточности собственных свойств с целью снижения затрат на их разработку, производство и эксплуатацию.
Следует также отметить, что в тепловизионном приборостроении до сих пор отсутствует единая система измерения и контроля их качества при достаточно широкой номенклатуре разрабатываемых образцов и обширном круге предприятий-разработчиков и потребителей, что особенно остро влияет на достоверность решений при выборе технических параметров ТВП в обеспечение реализации Государственных программ развития отечественного тепловидения.
Все перечисленное требует комплексного развития и постоянного совершенствования аппаратурного обеспечения измерений и контроля параметров и технических характеристик разрабатываемой тепловизионной техники и, тем самым, постоянно поддерживает актуальность и перспективу рассматриваемой в настоящей работе проблемы.
Состояние вопроса
В течение более чем двадцатилетних исследований по представляемой тематике автором постоянно проводился анализ состояния и развития техники измерений в области инфракрасного приборостроения, из которого на сегодняшний день возможно сделать определенные выводы.
Прежде всего, следует отметить, что общие теоретические подходы к обоснованию методологии измерений параметров тепловизионного прибора и его основных оставляющих, а именно оптической системы (входного объектива, сканирующей системы, системы согласования сигнала на входе в фотоприемник); фотоприемного устройства и электронной системы обработки сигнала; устройства отображения информации (монитора), физических и физиологических характеристик зрительного анализатора оператора разработаны, обоснованы [2,3,4,5] и известны с 50-60-х годов прошлого века. Однако аппаратурное обеспечение таких измерений получило развитие и совершенствовалось только в течение последних двух десятилетий. Причем доступная информация здесь весьма ограничена и позволяет проследить лишь некоторые зарубежные разработки [6,7].
Известны, в частности, разработки фирм США, таких как Electro Optical Industries, Inc.; Сі-Systems и, объединенные в последнее время разработки Сі-Systems с Германией и Израилем (Electro-Optics Industries Ltd., входящую в корпорацию Elbit Systems, Ltd.). При выполнении служебных заданий автор имел возможность ознакомиться с измерительными комплексами и аппаратурой оперативного диагностирования ТВП западноевропейских стран - Франции (Sagem), Англии (FLIR Systems, Marconi), Швеции (Agema).
Среди российских разработок аппаратурных средств ИК измерений наиболее известны работы Государственного оптического института им. СИ. Вавилова и НПО "Геофизика" [8].
Важный для практики оценок тепловизионных систем достаточно широкий спектр измерительной аппаратуры для исследований в ИК области оптических свойств атмосферы Земли создан в Институте физики атмосферы АН СССР, Институте оптики атмосферы СО АН СССР, в Государственном институте прикладной оптики (Филиппов В.Л., Иванов В.П., Новоселов В.А. и др.).
Последнее обстоятельство, а также тот факт, что в течение последних 20 лет в России, и именно в НПО ГИПО, были развернуты и успешно реализованы работы по созданию и промышленному освоению ряда классов ТВП [9,10,11], созданы необходимые предпосылки для научно-прикладного и комплексного развития аппаратурных средств и методов измерений и контроля параметров разрабатываемых и серийно выпускаемых ТВП. Базой для этого развития послужило наличие:
- развитого направления фоно-целевых исследований и изучения оптических свойств атмосферы в широкой спектральной области;
- широко проводимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок по созданию ТВП I, II и III поколений;
- действующих производственной и испытательной баз, обеспечивающих замкнутый цикл серийного изготовления ТВП;
- развитой научно-практической базы широкого спектра современных оптических технологий;
- действующей метрологической службы с необходимой инфраструктурой образцовых средств измерения и вторичных эталонов, аккредитованной Госстандартом на право проведения калибровки создаваемых измерительных средств [12,13,14].
Цель работы
Целью настоящей работы является исследование, разработка и создание необходимого и достаточного комплекса методов и средств контроля и испытаний, обеспечивающих получение достоверной, оперативной экспериментальной информации о параметрах и свойствах тепловизионных систем, подлежащих оценке на этапах их проектирования, производства и эксплуатации.
Основные задачи диссертационной работы
- Анализ, классификация и выбор оптимальных требований к измерительной и контрольной аппаратуре, обеспечивающей единство методов оценки параметров тепловизионных приборов и систем на стадиях их разработки, производства и эксплуатации, в особенности на стадии стендовых испытаний, являющихся наиболее информативным этапом в оценке характеристик ТВП.
- Разработка методов испытаний и принципов построения измерительной аппаратуры для оценки параметров ТВП в различных условиях внешних воздействий.
- Исследование перспектив развития аппаратурных средств и методов измерений [15,16], учитывающих развитие тепловизионного приборостроения.
- Разработка комплекса аппаратурных средств измерений и контроля по сформулированным требованиям и результатам исследований. Разработка инженерных приемов и технологий отработки отдельных узлов и элементов для промышленного освоения аппаратурного комплекса с целью обеспечения возможности его тиражирования, воспроизводства и внедрения в отрасль.
- Теоретическое обоснование и разработка метода калибровки измерительной и контрольной аппаратуры для обеспечения этапов производства и эксплуатации ТВП.
- Внедрение созданных методов, методического обеспечения и комплексов измерительной аппаратуры в практическую деятельность предприятий оптико-электронного приборостроения, а созданной контрольно-проверочной аппаратуры в состав комплексов вооружения и военной техники.
Научная новизна исследований и полученных результатов
- обобщены и обоснованы методы комплексного контроля и измерений параметров тепловизионных систем;
- разработаны, исследованы и внедрены в практику принципы построения измерительной и контрольной аппаратуры для задач разработки, серийного изготовления и эксплуатации ТВП;
- по результатам проведенных исследований впервые получен и внедрен в производство ряд оригинальных научно-технических решений, на основе которых создан комплекс контрольно-измерительных систем, обеспечивающих возможности автоматизации процессов измерений при разработках, изготовлении и эксплуатации ТВП;
- разработаны, исследованы, созданы, внедрены в практику и подтверждены независимыми измерениями специальные методы калибровки измерительных систем.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Результаты системного научно-технического обоснования требований к контрольной и измерительной аппаратуре, обобщающие принципы единого подхода к созданию измерительных средств для задач тепловизионного приборостроения с учетом перспективы развития, а также обоснование методов контроля характеристик ТВП, среди которых наиболее важные
- метод создания пространственного изображения тест-объекта с заданными характеристиками в ИК области спектра излучения;
- метод оценки адекватности характеристик ТВП, получаемых в стендовых и полигонных условиях;
- метод калибровки измерительной и контрольной аппаратуры по их выходным характеристикам.
2. Обоснование иерархии приборных средств и измерительных систем для задач разработки, производства и эксплуатации ТВП, оригинальные научно-технические и конструктивные решения, способствующие созданию комплекса измерительной аппаратуры, обеспечивающей
- достоверную оценку характеристик ТВП при стендовых испытаниях в условиях внешних воздействий;
- оценку характеристик, создаваемых ТВП в полигонных условиях в составе комплексов вооружений;
- контроль состояния ТВП, входящих в состав В и ВТ, в эксплуатационный период.
. 3. Комплекс прогнозных требований к средствам измерений и контроля параметров ТВП, учитывающих перспективу развития тепловизионного приборостроения.
4. Результаты разработки, апробирования и широкого внедрения методов калибровки измерительной и контрольной аппаратуры и научно обоснованные подходы к созданию системы метрологического обеспечения ТВП различных классов и применения, объединяющей интересы производителей и заказчиков всех уровней.
Практическая значимость результатов, полученных в диссертации
- Обоснованы области применения и виды контрольно-измерительных средств и методов, обеспечивающих задачи создания ТВП различного применения;
- разработан и реализован научно обоснованный комплекс технических требований к проектированию и созданию измерительных систем. Из
готовлен и поставлен в эксплуатацию ряд контрольно-измерительных приборов и стендов;
- предложены методы, методическое обеспечение и технология получения оперативной экспериментальной информации о параметрах и свойствах ТВП;
- создана промышленная основа серийного изготовления измерительных комплексов и система метрологического обеспечения испытаний тепловизионных приборов;
- приборами контроля параметров ТВП в эксплуатации (контрольно-проверочной аппаратурой) оснащен ряд комплексов отечественного противотанкового вооружения, а измерительными комплексами оснащен ряд предприятий отрасли, специальные лаборатории военных НИИ и полигонов.
Внедрение
Обобщенные результаты экспериментальных исследований, разработанные, изготовленные и прошедшие метрологическую поверку измерительные комплексы, приборы, технологические стенды, а также разработанные, прошедшие метрологическую экспертизу и опробацию при различных видах испытаний методы и методическое обеспечение внедрены:
• в ФГУП "НПО ГИПО" при разработках, государственных испытаниях тепловизионных прицелов 1ПН65, 1ПН79, 1ПН86-ВИ и их модификаций, а также при серийном изготовлении прицелов 1ПН79, 1ПН86-ВИ и их модификаций и контрольно-проверочной аппаратуры для указанных прицелов
(1982-2003 г.г.)
• в ОАО "КОМЗ" при организации серийного выпуска тепловизионного прицела 1ПН65 и наблюдательного прибора 1ПН62
(1982-2001 г.г.)
• в ЗАО "Орбита" г. Ереван при освоении серийного выпуска теплови- зионного прицела 1ПН65 и КПА 9В974 в обеспечение поставок по заказу МО СССР
(1985-1992 г.г.)
• в ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева" при разработках теп- ловизионных каналов "Агава", "Агава-2"
(1984-1986 г.г.)
• в ГУП ПО "НПЗ" г. Новосибирск при разработках и серийном выпуске тепловизионного наблюдательного прибора "Пособие"
(1985-1990 г.г.)
• в войсковой части 21374 в обеспечение полигонных испытаний теп ловизионных приборов всех классов, разрабатываемых и испытываемых по заказам ГРАУ МО РФ
(1984-2003 г.г.)
• в ГУП "КБП" г. Тула в обеспечение совместных работ, проводимых по заказам ГУП "КБП" и Инозаказчиков
(1998-2003 г.г.)
• в ФГУП З ІДНИИ МО РФ при создании и аккредитации "Испытательной лаборатории оптико-электронных средств разведки, наблюдения и прицеливания" № РОСС.КГ.006.04ГШОО от 28.06.2000 г.
(1984-2003 г.г.)
• в ФГУП ПО "УОМЗ" для обеспечения разработок и подготовки серийного выпуска тепловизионных каналов II и III поколений различного назначения
(2002-2003 г.г.)
• в "Промышленном центре оптики", Республика Польша, г. Варшава при проведении совместных разработок в обеспечение серийного выпуска тепловизионного канала для системы управления огнем танка Т-72
(1996-1997 г.г.)
• в Кунминьском институте физики, Китайская народная республика, г. Кунминь при проведении совместных работ в обеспечение разработок тепловизионных приборов различного назначения
(1997-1998 г.г.)
• при проведении испытаний в интересах ГРАУ, ГАБТУ, ВМФ, ВВС и РХБЗ
(200R2002 г.г.). Приборные разработки удостаивались серебряной медали ВДНХ СССР (1988 г.), Почетных дипломов различных Всероссийских выставок
(1995-2004 г.г.) Совокупность методов, разработанных контрольно-измерительных комплексов, методическое обеспечение всех видов испытаний в виде инженерных методик, рекомендаций по использованию дополнительного стандартного и специального оборудования, а также утвержденных в рамках отрасли и МО РФ нормативных документов создают основу комплексной научно-технической методологии оценки характеристик ТВ П.
Внедрение результатов диссертационной работы в виде разработок конкретных измерительных комплексов и приборов для предприятий отрасли, войсковых частей и поставок за рубеж подтверждено актами внедрения (см. Приложение) и вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
Публикации и апробация результатов
Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 40 научных работах, в том числе в монографии "Физические основы и техника измерений в тепловидении", г. Казань, Отечество, 2003 г., в 7 научных статьях в отраслевых и всероссийских журналах, соответствующих "Перечню журналов и изданий...", опубликованному в Бюллетене ВАК Минобразования
РФ, № 2, 2003 г., в 7 патентах Российской Федерации и в материалах 20-ти Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций.
Приборные разработки и рекламные материалы по ним неоднократно демонстрировались на международных выставках вооружений и военной техники и технологий двойного назначения IDEX 97 (1997 г.), ШЕХ 99 (1999 г.), ШЕХ 2001 (2001 г.), ШЕХ 2003 (2003 г.) г. Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты; МАКС 99 (1999 г.), МАКС 2001 (2001 г.), МАКС 2003 (2003 г.) г. Жуковский, Россия, IDELF-2004 г. Москва, Россия; Eurosatory 96 (1996 г.), Eurosatory 2000 (2000 г.), Париж, Франция; MSPO 95, г. Кельце, Республика Польша; VTTV 99, г. Омск, Россия; DSA 2002 (2002 г.), г. Куала-Лумпур, Малайзия; IDEF 99 (1999 г.), г. Анкара, Турция; IDET 99 (1999 г.) г. Брно, Чехия и многих других.
Состав диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения с основными выводами и результатами работы и списка литературных источников.
Во введении приведена общая характеристика работы, актуальность темы, общее состояние проблем измерений в тепловидении, цель и основные задачи работы, научная новизна и практическая значимость проведенных исследований и разработок, представлены результаты внедрения и апробации аппаратурных средств и методов измерений.
Первая глава рассматривает тепловизионную систему, ее характеристики и обобщенные критерии оценки качества с целью их систематизации и получения представления о тепловизионной системе как объекте испытаний. Материал главы носит обзорно-аналитический характер. Здесь обобъцены сведения об уровне и тенденциях развития ТВП, разрабатываемых ведущими зарубежными и отечественными фирмами, приведена оценка состояния базовой нормативной документации и действующей отраслевой системы параметров ТВП, описаны особенности измерений и контроля параметров ТВП в стендовых (заводских) условиях, приводится анализ совокупности критериев оцен
ки качества ТВП, контролируемых параметров и характеристик и формулировки основных требований к методам измерений и испытаний.
Вторая глава посвящена описанию видов испытаний тепловизионной аппаратуры, анализу требований к постановке испытаний, сформулированных в Государственных стандартах, содержит системный анализ областей применения ТВП и формулировку основных требований к характеристикам измерительной аппаратуры для стендовых и полигонных испытаний и контрольно-проверочной аппаратуры, обеспечивающей контроль параметров ТВП в течение всего срока эксплуатации.
В третьей главе обобщен состав необходимых характеристик различных видов измерительной аппаратуры для обеспечения стендовых испытаний ТВП в нормальных климатических условиях и при наличии внешних воздействий. Приведены описания конструктивных особенностей разработанных измерительных комплексов и стендов, представлены найденные в процессе исследований и разработок новые технические решения, даны описания аппаратуры, имитирующей характеристики излучения объектов-целей и фонов. В состав главы включен специальный раздел о проведенных автором исследованиях и разработках в части автоматизации измерительной аппаратуры и обработки результатов измерений.
В четвертой главе представлены результаты реализации сформулированных требований к характеристикам и конструктивным особенностям аппаратуры, разработанной для целей обеспечения натурных испытаний ТВП. Представлены сведения о разработанных радиометрических тепловизионных приборах, специальных полноразмерных полевых тест-объектах и имитаторах, приведены сведения о разработках измерителей прозрачности атмосферы. Приводимые в главе материалы о техническом уровне представленных разработок анализируются в сравнении с техническим уровнем зарубежных аналогов.
Пятая глава посвящена результатам проведенных в течение последних двух десятилетий исследований и оригинальных разработок контрольно-про
верочной аппаратуры, входящей в состав комплексов вооружения, снабженных тепловизионными прицелами 1ПН65, 1ПН79, 1ПН86-ВИ. Приведены конструктивно-технические характеристики всех видов КПА, представлены разработанные оптические схемы и системы автоматической стабилизации разности задаваемых температур в узлах излучателей и тест-объектов.
Шестая глава рассматривает метрологические аспекты измерений характеристик тепловизионных систем, методы и специально разработанные комплексы аппаратуры градуировки элементов и калибровки измерительных средств. Представлены разработанные с участием автора и реализованные впервые методические подходы к калибровке средств контроля характеристик ТВП, показано место средств контроля в структуре метрологической системы. Дано описание калибровочных стендов, методики проведения калибровки, порядка периодического контроля эксплуатируемых измерительных средств, установленного Госстандартом. В главу включены материалы о результатах новейших исследований и разработок в области оценки качества ИК объективов, изготовленных по высоким технологиям. По результатам исследований, аппаратурных разработок, их внедрения в отрасль, а также с учетом развития тепловизионной техники сформулированы перспективные задачи совершенствования методов и средств контроля характеристик тепловизионных приборов и систем.
В конце каждой главы сформулированы частные выводы о степени реализации поставленных задач.
В заключении даются основные выводы и результаты выполненной работы.
Перспективы совершенствования ТВП на основе использования унифицированных модулей
Необходимость рассмотрения вопроса о модульном построении теплови-зионных приборов диктуется рядом известных принципов разделения сложного оптико-электронного устройства на отдельные модули, каждый из которых может иметь специфические свойства в определенном рабочем диапазоне (объектив, система сканирования, фотоприемник, система обработки сигналов, система охлаждения, система визуализации и т.д.) и может стать предметом отдельной разработки специализированным предприятием. Такой подход весьма заманчив для задач построения ТВП и получил уже некоторое развитие в части создания, скажем, ФП, систем охлаждения, объективов для ИК области, средств отображения информации. В данном параграфе приведены некоторые результаты работ в этой области, в которых автор в той или иной мере принимал непосредственное участие.
По мере развития отечественной техники тепловизионных средств наблюдения и прицеливания для сухопутных войск рассматривались различные предложения по их классификации. В качестве примера рассматривалась классификация ГИПО (Краюшкин В.Л. и др.) по вариантам ФПУ: для носимых комплексов с числом площадок приемника 64 и теплопритоками до 0,5-1,0 Вт; для возимых комплексов - с числом площадок 128 и теплопритоками до 1-1,2 Вт. В соответствии с этим тепловизионные приборы делились на 3 класса, характеризующихся совокупностью трех технических параметров: диаметром входного зрачка ОС, разрешающей способностью прибора и его массой. К I классу отнесены портативные носимые приборы с диаметром входного зрачка до 80-100 мм, разрешающей способностью 1-5 мрад и массой не более 6 кг. Второй класс переносных приборов характеризуется диаметром входного зрачка 120 мм, разрешающей способностью в пределах 0,3-1,5 мрад и массой не более 10 кг. III класс - это возимые тепловизионные приборы, устанавливаемые на танках и других носителях, у которых диаметр входного зрачка не превышал 200 мм, угловое разрешение составляло 0,3-1,5 мрад, а требования на ограничение по массе отсутствовали. I класс приборов использовался для наблюдения и разведки, а II класс - для переносных комплексов ПТУР и переносных комплексов наблюдения и разведки.
Несмотря на то, что классификация не получила статуса официально узаконенного документа, этот подход к принципам построения модульных конструкций просуществовал до развертывания работ по системе общих модулей тепловизионных приборов и каналов в интересах всех видов ВС РФ. Отмеченная классификация, вписываясь в концепцию программы общих модулей США [48], учитывала уровень развития отраслевой тепловизионной техники первой половины 80-х годов и позволяла из перечня в 22 модуля (под модулем понимается унифицированный узел, функционально оформленный как самостоятельное изделие) построить приборы любого из трех классов. При этом все 22 модуля разделены на 12 основных и 10 дополнительных, отражающих специфику всех классов. Схемы сопряжения таких модулей показаны на рисунке 1.1.
В рамках НИР на разработку системы общих модулей тепловизионных приборов и каналов в интересах всех видов ВС принята классификация ГУП 22 ЦНИИИ МО РФ комплектов общих модулей (работы Е.В. Дегтярева) по областям применения (введено 4 класса комплектов). Из них в сухопутных войсках применяются 3-й и 4-й классы (в третий класс входят приборы наблюдения механика водителя и переносные тепловизионные приборы сухопутных войск, а в четвертый - носимые тепловизионные приборы сухопутных войск, атакже и носимые приборы частей ВМФ). В состав общих модулей каждого те-пловизионного прибора входят модуль фотоприемника (МФП), модуль охлаждения фотоприемника (МОФ) (см. табл. 1.3), модуль предварительного усиления сигналов (МГЛУ), модуль электронной обработки сигналов (МЭО), модуль развертывающего устройства (МРУ). Значения основных параметров приведены в таблице 1.4. Модулем (унифицированным узлом) является функциональный узел тепловизионного прибора, для создания которого применяются базовые конструктивно-технические решения и базовая технология производства. Оптическая система (узел телескопической насадки) в состав общих модулей не входит, а такие ее параметры, как увеличение, диаметр входного зрачка, входной угол зрения, удаление входного зрачка и минимальная рабочая дистанция определяются заказчиком прибора исходя из тактической задачи, для решения которой применяется разрабатываемый прибор. Устройства отображения информации (УОИ) могут быть аналоговые и дискретные. УОИ, как правило, должны состоять из следующих унифицированных блоков: питания, управления, индикации. Блоки управления должны содержать в своем составе генераторы кадровой и строчной разверток, видеоусилители, усилители гасящих импульсов, схемы динамической фокусировки, схемы коррекции геометрических искажений и должны обеспечивать формирование стандартного телевизионного сигнала. Блоки питания должны содержать в своем составе унифицированные преобразователи и стабилизаторы напряжения, и обеспечивать предельные значения коэффициентов пульсаций постоянного напряжения на различных электродах и различных цепях питания не более ± 0,25-И,0 %). Должны быть учтены также требования по надежности (средняя наработка на отказ, назначенный ресурс, срок сохраняемости и т.д.).
Приведенные данные о модульном принципе построения и классификации ТВП и модулей, показывая достаточно широкую номенклатуру модулей и узлов, жесткие требования на стабильность параметров модулей и питающих напряжений (например, УОИ), достаточно большой диапазон внешних воздействий, обосновывают необходимость организации и проведения достаточно
Выделение областей применения ТВП
Области применения ТВП, которые определяют состав, виды и условия проведения испытаний аппаратуры так же, как и требования к количественным характеристикам воздействующих факторов, можно выделить на примере рассмотрения связей отдельных областей с характерными особенностями более многочисленных реализованных за рубежом разработок ТВП. К характерным особенностям можно отнести состав аппаратуры, особенности ФП и СО, вид индикатора, число полей зрения, спектральный диапазон, массо-габаритные данные, время разработки (поколение), влияющее на особенности элементной базы разработок. Так, по первому поколению разработок (см. табл. 2.4 по справочным данным Белозерова А.Ф., Иванова В.М. Современные зарубежные тепловизионные приборы - Казань: ФГУП НПО ГИПО, 1999; 2000, 4.2; 2002, В.4) можно выделить 3 вида областей применения: системы управления оружием объектов БТТ; противотанковые ракетные комплексы (обе области применения связаны с сухопутными войсками); наблюдения, разведки, управления и корректировки огнем в различных родах войск - СВ, ВМС, ВВС).
Последующие поколения разработок связаны, как правило, с расширенными областями применения (независимо от массо-габаритных характеристик и наличия или отсутствия в составе ТВП систем охлаждения). На основе анализа материалов зарубежных разработок ТВП, использующих субматричные приемники, выделяются еще три расширенных области применения портативных, возимых тяжелых и миниатюрных ТВП.
Так, портативные ТВП массой 3-6 кг на матрицах 256x256 эл., с одним-тремя полями зрения, работающие в спектральных диапазонах 3-5 или 8-12 мкм, с различными системами охлаждения (микрохолодильником, 4-х ступенчатым ТЭО, микрохолодильником Сплит-Стирлинга, замкнутой системой) кроме задач наблюдения, обнаружения, распознавания, использования в портативных прицелах для наведения ракет и ЗРК широко применяются в системах управления и корректировки минометного и артиллерийского огня, в приборах ночного вождения различного рода машин, в охране границ, в гражданских целях для обнаружения лесных пожаров, нахождении раненых при проведении поисково-спасательных работ и т.д.
Возимые ТВП общей массой более 45 кг (состоящие из нескольких блоков, имеющие несколько полей зрения и замкнутые системы охлаждения) кроме БТТ и другой тяжелой военной техники используются в системах защиты кораблей ВМФ и в ПВО среднего радиуса действия.
Миниатюрные ТВП массой 1,4-2,5 кг на матрицах до 512x256 эл., неох-лаждаемых или с микрохолодильником Стерлинга, с угловым разрешением до 0,6 мрад и одним-тремя полями зрения имеют широкую область применения, включая задачи обнаружения, распознавания, прицеливания, наблюдения за техникой, людьми, средствами передвижения, нахождения раненых, проведения научных исследований, предупредительного ремонта, контроля в промышленности за условиями, состоянием безопасности и т.д.
Еще одна область применения ТВП для ПТРК большой дальности [72] связана с условиями применения бортовой аппаратуры ракетной техники (класс 4), так как в этом случае (для полуавтоматической и автоматической наводки ракеты на цель) тепловизионная камера устанавливается непосредственно на ракете, а видеоизображение оператору для управления наведением передается по волоконно-оптическому кабелю.
Таким образом, по зарубежным разработкам всех трех поколений ТВП к настоящему времени удается выделить 7 областей применения, причем в последующих разработках отмечается стремление разработчиков к проектированию аппаратуры многофункционального назначения.
В отечественных разработках тепловизионной техники военного назначения с учетом применяемости по НТД, действовавшей до 1999 г., выделено (в рамках ОСТ по типам, действовавшего с 1989 г.) 13 классификационных групп приборов (каналов), предназначенных для решения задач в интересах СВ, ВВС, ВМФ. При этом учитывалось разделение тепловизионных приборов еще и на группы в зависимости от их дальности действия (ближнего действия - с дальностью распознавания не более 1 км; малой дальности - не более 2 км; средней дальности - не более трех и дальнего действия - с дальностью распознавания более трех километров). Эти данные сведены в таблице 2.5. Рассмотрено два типа приборов в зависимости от степени конструктивной завершенности: тепловизионные приборы (ТВП) и тепловизионные каналы (ТВК). По назначению в таблице 2.5 входят приборы вождения (пилотирования), наблюдения, прицеливания; по массо-габаритным характеристикам приборы делятся на носимые, переносные и устанавливаемые на подвижных объектах ВТ. Условия эксплуатации аппаратуры всех отмеченных в таблице 2.5 групп по НТД, действовавшей до 1999 г., приводятся в таблице 2.6, полученной в результате анализа НТД, проведенного автором, и отражающей основу подхода к проектированию измерительной аппаратуры.
В зависимости от областей применения ТВП (в интересах ВМФ, ВВС и СВ) к середине 90-х годов были сформулированы требования к четырем классам комплектов общих модулей, что показывает таблица 2.7. При этом по воздействию внешних факторов - вибраций группы исполнения входящих в полнении, технически невозможна или нецелесообразна. В зависимости от условий применения изделия подразделяются на группы: 1У, 2У, ЗУ, 4У унифицированного и 1В, 2В и т.д. до 14В - видового исполнения. При этом существует либо климатическое исполнение УХЛ - для районов с умеренным и холодным климатом. Для групп исполнения 1Вн-6В выделяются следующие области применения: стационарные и подземные помещения - 1В; надводные корабли, подводные лодки (аппаратура для них и средств, устанавливаемых с них) - 2В; аппаратура катеров, кораблей на подводных крыльях и воздушной подушке (аппаратура для них и комплексов, сбрасываемых с подводных кораблей и подводных лодок) - ЗВ; комплексы на колесных и гусеничных шасси, не имеющих артиллерийско-минометного вооружения - 4В; аппаратура БТТ, БМП, БТР, САУ, аппаратура для работы на открытом воздухе, в том числе переносная (носимая), перевозимая транспортом всех видов - 5В, аппаратура экранопланов и других летательных аппаратов, аппаратура средств, сбрасываемых с воздушных летательных аппаратов, аппаратура комплексов, выстреливаемых с ВЛА, аппаратура всех видов вертолетов и самолетов, исключая аппаратуру, размещаемую на двигателях и в зоне двигателей - 6В.
На основе выявленных связей между выделенными областями применения, характеристиками и особенностями ТВП для успешного решения задач в данных областях, учитывая связи между группами исполнения и зонами размещения ТВП на объектах разработчики средств испытаний, контроля и измерений параметров ТВП могут на начальной стадии разработки выбрать необходимые и достаточные требования по воздействующим факторам, включая механические, климатические и т.д. для их последующей реализации в рамках разрабатываемого комплекса, причем эти требования остаются в рамках требований НТД, действовавшей до 1999 г., и дополнений к ней 1985 года для аппаратуры разработок до 1999 г. или ГОСТ [74] для аппаратуры с началом разработки после 01.01.99 г.
Аппаратура для имитации характеристик излучения объектов-целей и фонов
При проведении стендовых испытаний тепловизионной техники широкое распространение получили различные имитаторы излучения, как объектов наблюдения, так и сопутствующих им фонов. В принципе, необходимо в идеальном случае имитировать спектральный состав, силу излучения и геометрию объектов и фонов [89]. Одно из важных требований к имитатору - необходимость обеспечения равномерного распределения энергии излучения в пределах зоны работы испытуемого прибора для устранения влияния несимметричного виньетирования и аберраций оптической системы испытуемого образца ТВП [79,90]. Из двух известных вариантов преобразования излучения исходного источника более простым в реализации является использование одного фильтра для всего спектра излучения источника. Чаще всего используется многослойный интерференционный оптический фильтр. В ближнем ИК диапазоне спектральный состав излучения ксеноновых и ртутно-ксеноновых дуговых ламп высокого и сверхвысокого давления достаточно близок к составу солнечного излучения и такие лампы могут использоваться в качестве имитаторов солнечного излучения. Для того, чтобы спектральный состав излучения имитатора был близок к составу солнечного излучения и в видимом диапазоне спектра, используется корректировка фильтром. В имитаторе заданного спектрального состава и силы излучения [79], предназначенным для стендовых испытаний тепловизоров и теплопеленгато-ров, использована идея обратного монохроматора.
Параллельный пучок лучей от имитатора (см. рис. 3.9а) получают при помощи зеркального коллиматора, состоящего из объектива 7 с фокусным расстоянием 1200 мм, световым диаметром 150 мм и зеркала 5. Подвижка зеркала объектива (от +50 до -100 мм) позволяет получить сходящиеся и расходящиеся пучки (от +0,004 до -0,06 дптр). В комплекте имитатора имеется черное тело 4 и устройство для введения фона, содержащее поворотный столик 2, зеркало 3 и растровое зеркало 1. Излучение имитатора может модулироваться в диапазоне частот 240-2400 Гц. Устройство работает следующим образом. Если источник 9 со сплошным спектром излучения освещает входную щель 8 монохроматора, находящуюся в положении 0, то выходная щель 6 монохроматора выделит изспектра излучения источника длину волны Я/ (см. рис. 3.96). Когда входная щель находится в положении I, спектр относительно выходной щели сместится, и она выделит длину волны Я/+і, и в положении II -длину волны Л[.\. При установке в фокальной плоскости объектива монохроматора протяженного источника 9 выходная щель будет источником излучения, содержащим все длиныволн от Я/.] до Я/+і, но каждая из длин волн приходят на выходную щель от определенной точки протяженного источника 9. Чтобы исключить из излучения выходной щели длину волны Я/ достаточно закрыть точку 0 протяженного источника непрозрачным экраном. Для получения заданного спектрального состава перед протяженным источником 9 с равномерной энергетической светимостью по площади вместо входной щели ставится маска, срезающая в требуемой мере излучение определенных длин волн. Таким образом, выходная щель монохроматора будет источником излучения спектрального состава и мощности излучения, которые определяются формой маски, шириной выходной щели и температурой источника. Применяется щелевая маска - в виде набора прозрачных полос. Недостаток такой маски состоит в том, что за счет изменениявысоты щелей изменяется не только мощность потока излучения, но и спектральный его состав. Избавиться от неравномерности спектрального состава по высоте выходной щели в таком имитаторе можно, если поставить за выходной щелью фотометрический интегрирующий шар. Описанный имитатор излучения объекта в большей степени предназначен для стендовых испытаний теплопеленгаторов, чем тепловизоров. Он также может использоваться для стендовых испытаний тепловизоров-радиометров, т.е. в том случае, когда более важной характеристикой тепловизионной техники является ее способность к измерению сигналов от объектов, а не формирование изображения.
В тепловидении [2,4] принята эквивалентная замена контрастной яркости AL разностью радиационных температур АГ между целью и окружающим ее фоном с температурой Тф. Поэтому в аппаратуре для стендовых измерений широко распространены имитаторы, имитирующие разность радиационных температур между объектом и фоном, а в качестве имитаторов фона применяются излучатели, температура которых установлена в соответствии с заданным значением Тф. Используется понятие абсолютно черного тела (АЧТ), определяемого как объект, способный полностыо поглощать все падающее излучение, не зависимо от его длины волны. В соответствии с законом Кирхгофа АЧТ является идеальным излучателем. На практике используются два приближения к идеальному излучателю: почти полностыо замкнутая полость, имеющая выход во внешнее пространство через отверстие, размеры которого намного меньше размеров полости и почти идеально поглощающая поверхность, обработанная и окрашенная таким образом, чтобы отдавать энергию в окружающее пространство до установления термодинамического равновесия [55]. Из различных возможных форм излучающих полостей наибольшее распространение получили конус и цилиндр, применяются сферы, их комбинации, а также излучатели в виде плоских пластин [82]. Более высокую точность градуировки термоизмерительных приборов можно обеспечить при использовании АЧТ с нагревателем и холодильником и определенном выполнении излучающих полостей [91], например, в случае, если внутреннюю стенку выполнить в виде двух цилиндрических полостей, глухие полусферические торцы которых обращены один к другому выпуклыми сторонами, а на рабочие поверхности излучающих полостей нанести методом плазменного напыления поверхностно-оксидированный пористый слой из меди толщиной 100-300 мкм. Модель АЧТ содержит герметичный коаксиальный корпус с расположенным между его стенками слоем с капиллярной структурой. За рубежом разработкой АЧТ занимается ряд фирм, большой выбор, например, предлагается фирмой Electro-Optical Industries, Inc (EOI), Санта-Барбара, штат Калифорния, известны разработки источников калиброванного излучения фирмы Barnes Enging и модели серии 400 с коэффициентом излучения 0,99±0,01, выпускаемые фирмой Infrared Industries [58]. Сводная таблица из [82] показывает, что модели АЧТ выпускаются в виде первичных, вторичных и рабочих эталонов, нижняя
Полноразмерные тест-объекты и имитаторы
Для обеспечения возможности проверки тепловизионных приборов по температурному и угловому разрешению в натурных (полигонных) условиях на реальных дальностях действия и с учетом влияния реальных атмосферных условий необходимы полноразмерные тест-объекты и имитаторы объектов-целей [137].
Работы по этому направлению начались во второй половине 80-х годов. Предложения по созданию были сформулированы к концу 80-х годов, затем в 1992 году поставлена руководимая автором НИР по разработке экспериментального образца тест-объекта (стандартной ИК мишени) для полевых испытаний тепловизионных приборов по угловому и температурному разрешению. В основу разработки полевого тест-объекта положены данные о стандартной мишени НАТО [138]. Полевой тест-объект представляет собой активную разборную маневренную мишень [128] (см. рис. 4.4).
Он имеет общую высоту приблизительно 2,5 м, общую глубину около 1,5 м и ширину 2,4 м. Передняя (рабочая) поверхность (см. рис. 4.4а) разделена на 14 или 7 элементов, имеющих следующие размеры: высота 2,3 м, ширина 16 или 32 см, глубина приблизительно 5 см. Элементы закреплены на раме изстального уголка. Упомянутые 14 или 7 элементов соединены с помощью резиновых шлангов и коллекторов в параллельные пары, включающие 7 или 4 элемента для "теплого" цикла и 7 или 3 - для "холодного" цикла, причем температура "теплого" цикла может быть отрегулирована по отношению к "холодному" циклу. Каждый из двух циклов оборудован жидкостным термостатом типа V-10, у которого насос циркуляции заменен на более мощный типа БЦ-3000. В качестве теплоносителя используется вода с добавлением в зимних условиях антифриза. Электропитание термостатов напряжением 220 В частотой 50 Гц обеспечивается бензоагрегатом типа АБ-1.
При испытаниях полноразмерного тест-объекта измерялись: общая потребляемая мощность, диапазон устанавливаемых разностей температур между "теплыми" и "холодными" штрихами. Радиационная разность между "теплыми" и "холодными" штрихами измерялась с помощью прибора AGA-680 LW, аттестованного как рабочее средство измерений по ГОСТ 8.106.80 (свидетельство № 12/92 НПО ГИПО). Термодинамическая разность температур измерялась с помощью термометра цифрового типа Щ455/1, использующего в качестве датчика термопреобразователь сопротивления 100П по ГОСТ 6651-84. Тепловое изображение и термопрофиль тест-объекта представлены на рис. 4.4 в) и г).
Максимально достигнутая разность температур между "теплыми" и "холодными" штрихами составила 7 С. При этом потребляемая мощность составила 1,9 кВт. Общий объем термостатирующей жидкости в "теплом" цикле составил 205 л. Время выхода на максимальную температуру составило 1,5 ч.
При проведении полевых испытаний автомашина с тепловизионным прибором перемещалась вдоль трассы для того, чтобы определить дальность, на которой штрихи тест-объекта перестают различаться операторами. Максимальная достигнутая разность температур между "теплыми" и "холодными" штрихами была равной 7 С (бачки "холодного" цикла водой не заполнялись, а в цикл "теплой" воды был добавлен тосол). В процессе испытаний была получена зависимость временного хода естественного остывания тест-объекта (без насоса и терморегулятора), приведенная на рисунке 4.5. График хода этой зависимости пока зывает, что при имевших место метеоусловиях разность температур от первоначальной величины ДГ= 7 С уменьшилась до значения AT = 1,2 С за 4 часа25 минут. Зависимость пространственной частоты v тест-объекта от дальности наблюдения при данной ширине штриха (320 мм) показана на рисунке 4.6. Разность температур AT между "теплыми" и "холодными" штрихами, измеренная срасстояния в 5 м от тест-объекта, умножением на интегральные значения прозрачности атмосферы Г8_12() для трассы протяженностью L (см. рис. 4.7) приводилась к входному зрачку тепловизионного прибора и сравнивалась с результатом стендовых измерений температурно-частотной характеристики этого же прибора на этой же пространственной частоте в условиях, близких к нормированным. тест-объекта определение пригодности тест-объекта для оценки дальности распознавания реальных объектов тепловизионными приборами проводят путем одновременной оценки возможности проверки с помощью тест-объекта геометрического и температурного разрешения прибора (путем опроса операторов) на заданной дальности и выполнения операций по определению дальности распознавания реальных объектов по ОТТ 7.214-85 (вып. 1987 г.).
Таким образом, с помощью полноразмерного тест-объекта было получено удовлетворительное согласование результатов испытаний на полигоне с результатами стендовых проверок (на стенде ВЭ-1227) тепловизионных прибо ров "Манчак" (ТНП-452) и "Корнет" (1ПН80) (см. рис. 4.8). В заключении по результатам испытаний на полигоне отмечалось, что система терморегулирования требует доработки в части надежности работы при отрицательных температурах. Установлено, что тест-объект может быть использован в режиме естественного остывания при условии периодического замера разности температур за этот период в несколько часов.
