KR20050098828A

KR20050098828A - 가변 시야각을 제공하기 위한 지향성 대항책 시스템에서의광학 왜곡 사용 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20050098828A
Application number: KR1020057006721A
Authority: KR
Inventors: 로버트 씨. 가이어; 안소니 키르캄
Original assignee: 배 시스템즈 인포메이션 앤드 일렉트로닉 시스템즈 인티크레이션, 인크.; 탈레스 옵틱스 리미티드
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-10-12
Also published as: AU2003287176A1; WO2004036269A2; EP1552335A4; US20060163446A1; WO2004036269A3; JP2006503299A; US7312429B2; EP1552335A2

Abstract

강력하게 장착된 단일 광학 세트를 사용하여 지향성 대항책을 위해 2 시야각 시스템을 대체한다. 하나의 지속적이되 왜곡된 시야각 내에서, 필드의 가장자리에서 목표를 검출하고 포착하고 특징짓는 동시에 필드의 중심에서는 높은 목표 충실도로 정밀하게 추적할 수 있는 것을 포함한다. 복수의 목표에 있어서는 제1 목표의 추적 및 제2 목표의 포착 모두를 동시에 수행하면서 대항책 효과를 크게 향상시킬 수 있다.

Description

가변 시야각을 제공하기 위한 지향성 대항책 시스템에서의 광학 왜곡 사용 방법 및 시스템 {METHOD AND APPARATUS OF USING OPTICAL DISTORTION IN A DIRECTED COUNTERMEASURE SYSTEM TO PROVIDE A VARIABLE FIELD OF VIEW}

본 발명은 광학 대항책 시스템에 관한 것이며 특히 고정 광학 및 광학 왜곡을 사용하여 수색 모드 시에는 넓은 시야각을 제공하고 추적 모드 시에는 좁은 시야각을 제공하는 시스템에 관한 것이다.

지향성 대항책 시스템에서는, 목표 포착 모드에서 IR 초점면에 의해 날아오는 미사일을 검출하고, 미사일을 검출하면 추적 모드에서 추적한다. 목표 포착 모드에서는, 예를 들어 견착 발사 미사일이 발사된 것을 검출하는데 사용되는 광학이 비교적 넓은 시야각을 가짐으로써 날아오는 미사일이 그 시야각을 벗어나 대항책 시스템을 벗어나지 못하도록 하는 것이 중요하다. 이러한 목표 포착 모드의 경우, 사용된 렌즈 어셈블리는 종종, 본질적으로 넓은 시야각을 아울러 넓은 지역에 걸쳐 목표를 검출할 수 있는 어안렌즈에 비유된다.

초기의 대항책 시스템은 단순한 고정 시야각 광학 시스템을 포함하여 견착 발사되거나 차량에서 발사되어 날아오는 미사일을 포착하였다. 인식할 바와 같이, 이러한 초기의 대항책 시스템은 미사일이 항공기를 향해 발사되었는지 아니면 다른 목표를 향해 발사되었는지를 결정하도록 동작하였다. 항공기에는 센서가 장착되어 있어 미사일에서 배출하는 배기 가스의 연기를 검출하여 미사일이 항공기를 향해 발사되었다는 것을 항공기 안의 사람들에게 경고한다.

일찍이, 다양한 시스템을 사용하여 실제 목표와 잘못된 목표를 구별하고, 잼 헤드(jam head)를 발사하면, 이 잼 헤드에서 전파 교란용 복사가 방출되어, 검출된 목표의 위치가 뒤틀리게 된다.

이러한 고정 시야각이 안고 있는 문제점은 위협 객체를 찾아내기 위해서는 넓은 시야각을 필요로 하지만, 그 위협 객체를 추적하기 위해서는 상대적으로 좁은 시야각을 필요로 한다는 것이다. 추적에 필요한 해상도가 좁은 시야각으로 제한되면, 시스템은 2도 이상으로 축을 벗어나서 날아오는 미사일을 찾아내지는 못할 것이다. 그 결과 날아오는 위협 객체를 검출할 수 있기 위해서는 좁은 시야각 광학을 스캐닝해야만 한다는 것이다. 그렇지만, 이러한 수색 모드는 시간이 걸리고 후술되는 현재의 2 시야각 시스템을 이끌고 있다.

더욱이, 일단 목표가 검출되면, 그 검출된 목표가 잼 헤드의 광학의 중심에 똑바로 놓이도록 잼 헤드를 위치시키고 고정밀 추적을 수행함으로써, 날아오는 미사일의 공간상의 위치를 정확하게 검출하여 대항책 복사가 날아오는 미사일의 십자선이나 목표 감지 유도 장치(seeker)에 똑바로 투사되어야 한다.

이러한 고정 시야각이 안고 있는 문제점은 목표가 너무 작아 포착하기 어려운 시야각과 목표의 크기가 너무 커서 그 공간적 위치를 정확하게 결정하기 어려운 시야각 사이의 타협의 문제이다.

포착 단계와 추적 단계의 시야각의 문제를 해결하기 위해, 종래에 2 시야각 시스템을 포함하는 기술이 개발되었다.

이러한 시야각 시스템은 망원렌즈의 크기와 줌을 수행할 때의 얼라인먼트 문제 모두를 감안하여 줌 망원렌즈에 대해 선택되었다. 추적기의 짐벌링 헤드에서, 줌형 망원 광학은 특히, 예를 들어 망원렌즈가 넓은 시야각으로부터 좁은 시야각으로 이동하는 공간을 많이 필요로 하는데 경우에 따라서는 5:1 비율을 수반한다는 점을 인식해야 한다.

요약하면, 이러한 망원렌즈를 하우징하기 위해 충분히 치수의 포드(pod)를 제공하는 것이 비실용적이고, 이 때문에 현재의 2 시야각 시스템이 널리 보급되어 있다.

이러한 시스템에서는 관찰 각도(viewing angle) 1 내지 2도 정도로 되어 있는 추적 단계에서 사용되는 망원 배율을 제공하는 고정 대물 렌즈 시스템을 갖는다. 수색 모드에서는, 가동 어셈블리가 상기 고정 대물 렌즈의 광학 중심선을 중심으로 회전한다. 상기 어셈블리를 대물 렌즈와 IR 초점면 검출기 사이에 설치하는 이유는, 수색 모드나 포착 모드에 적절한 넓은 시야각이 생기도록 매우 짧은 결합 초점면을 제공하기 위해서이다. 일실시예에서, 수색 또는 포착 단계 시, 시스템의 유효 초점 거리는 짧아 넓은 시야각을 제공한다. 추적 모드에서, 상기 어셈블리는 대물 렌즈 시스템을 벗어나 회전하므로 배율을 증가시키는 초점 거리를 길게 하여 추적을 보조한다. 이렇게 함으로써, 유효 초점 거리가 수배 더 길어진다. 그 결과 배율과 해상도가 향상되지만, 수색에 있어서는 좁은 시야각을 위한 비용이 적절하지 못하게 된다.

동작 시, 상기 가동 어셈블리를 고정 대물 렌즈의 중심선을 중심으로 회전시킨다. 짐벌을 이용하여 전체적인 광학 시스템을 구동시켜 목표를 시야의 중심에 둔다. 시야의 중심에 높이면, 상기 가동 어셈블리가 대물 렌즈의 광학 중심선으로부터 멀리 회전하여 배율을 더 높이도록 전환하고, 배율이 높아지므로 밀리라디안 추적 정밀도를 달성하게 된다.

이러한 2 시야 시스템은 수색 또는 포착 단계에서 날아오는 미사일을 포착하고 나중에 그 포착된 목표를 추적 단계에서 고정밀도로 추적하는데 훨씬 더 적합하다.

이러한 2 시야각 시스템이 안고 있는 문제점은 수색 단계에서 추적 단계로의 전환이나 다시 그 반대로의 전환이 공격 미사일의 비행 시간에 비해, 비교적 긴 시간이 걸린다는 것이다. 전환 지연은 정기적으로 1초 이상이 걸릴 수 있다. 견착 발사 미사일의 경우, 때때로 미사일이 발사되고 그 발사된 미사일을 찾아내어 대항책 검출 시스템의 광축의 중심에 둔 다음, 날아오는 미사일을 고정밀도로 추적하여 그 미사일을 추적기의 광축을 따라 방출한 복사로 혼란에 빠뜨리게 하는 한 주기가 단지 3초 미만에 불과하다는 것에 유념하라.

이제 가동 어셈블리를 대물 렌즈의 광축 상에 위치시키거나 그 위치를 벗어나게 하는데 솔레노이드 또는 모터를 사용하는 경우 얼라인먼트 문제가 이러한 전기 기계 액추에이션 프로세스 동안 발생할 수 있다. 그러므로 예를 들어, 광학이 초기에 수용하기 어려운 허용공차 내에 들어가면 때때로 상기 가동 어셈블리는 그 전체적인 시스템을 얼라인먼트를 벗어나게 한다.

더욱 중요한 것은 솔레노이드 또는 기계적 액추에이션 시스템이 긴급한 교전 주기(critical engagement period) 내의 어느 시간에 실패하게 되면, 위협 객체를 추적할 수 없게 되어 대항책 시스템은 날아오는 미사일에 속수무책이게 된다.

그러므로 부품을 이동시키지 않고서 복수의 초점 거리 또는 복수의 시야각 시스템을 제공하기 위한 요건이 존재한다. 복수의 시야각 시스템을 제조할 때는 고정 광학 시스템 전환과 관련된 지연을 제거한다. 또한, 특히 소형의 패키지 내에 강한 수색 및 추적 시스템을 제공하기 위해 얼라인먼트 오류뿐만 아니라 기계적 오동작 영향조차도 제거한다.

요약하면, 포착 시에는 넓은 시야각을 제공하고 추적 시에는 좁은 시야각을 제공하는 고정 광학 시스템을 구비할 요건이 존재한다.

더욱이, 미사일은 통상적으로 쌍으로 발사되므로 방해 전파는 미사일 쌍을 동시에 다루어야만 한다. 그러므로 하나의 미사일을 추적하여 방해 전파를 방출하고 그리고 다른 미사일도 식별/특징지어 계속해서 방해 전파를 방출할 수 있는, 넓으면서도 지속적인 시야각을 갖는 시스템이 요구된다. 이것은 포착하거나 또는 추적 중 어느 하나를 수행하기는 하지만 둘 다를 동시에 수행하지는 못하는 필드 전환 시스템에서는 수행될 수 없다.

도 1은 견착 발사대에서 항공기를 향해 미사일을 발사하고 발사된 미사일이 짐벌 추적기의 넓은 시야각 내에서 검출되는 수색 및 추적 시나리오와, 추적 모드에서 사용되는 좁은 시야각을 함께 나타내는 개략도이다.

도 2는 발사를 검출하는 단계, 미사일을 포착하기 위해 짐벌을 회전시키는 단계, 미사일을 포착 시야각 내의 중심에 두는 단계, 광학을 추적 모드로 전환하는 단계, 및 추적 모드에서 시야각 중심에 미사일을 둔 다음 전파 교란용 복사를 방출하는 단계를 포함하는, 도 1의 미사일의 대항 단계와, 본 발명의 광학 전환 단계를 제거하는 능력을 나타내는 흐름도이다.

도 3은 시야각 전환용 고정 대물 렌즈 시스템의 중심선으로부터 떨어져 있는 필드 교환기의 회전을 나타내는 개략도이다.

도 4는 초점 거리를 길게 하고 시야각을 좁힌 다음 배율을 증가시켜 추적을 용이하게 하기 위해 고정 대물 렌즈 시스템의 광학 중심선으로부터 떨어져서 회전하는 가동 렌즈 어셈블리의 활용을 도시하는 2 시야각 시스템의 단면도이다.

도 5는 추적 모드에서의 2 시야각 시스템 및 이 시야각 내의 십자선 근처의 위협 객체를 나타내는, 도 3의 필드 전환 광학 시스템의 시야각을 나타내는 개략도이다.

도 6은 위협 객체가 처음에는 포빌 광학 시스템의 축을 벗어나 있다가 십자선의 중심에 위치하게 되는 본 발명의 포빌 광학 시스템의 개략도이다.

도 7은 축을 벗어난 위협 객체의 초점 거리 단축을 보여주는, 필드 왜곡용 비선형 촬영 렌즈를 나타내는 본 발명의 개략도이다.

도 8a는 초점 면 어레이 검출기에서 축 상의 초점 및 축에서 3°벗어난 초점을 보여주는, 망원경 렌즈부, 중간 렌즈부, 및 이의 뒤를 잇는 릴레이 렌즈 그룹으로 이루어진 대물 렌즈 어셈블리를 포함하는 본 발명의 일실시예를 나타내는 개략도이다.

도 8b는 축에서 5°벗어난 영상 및 5°초점을 보여주는, 도 8a의 시스템을 나타내는 개략도이다.

포착 및 추적 모드용 가변 시야각을 제공하기 위해, 본 발명에서는 고정 광학 시스템이 의도적인 광학 왜곡을 일으키는 광학을 구비한다. 상기 왜곡을 도입하여 시스템 초점 거리를 변화시키고 그래서 목표나 객체가 축으로부터 얼마나 벗어나는가를 함수로서 상기 시야각을 변환시킨다. 상기 의도적인 왜곡은, 객체가 필드 중심에 접근할 때, 즉 광학 시스템의 중심선을 따라 접근할 때 해상도 및 배율을 향상시키면서, 필드 극점(field extreme)에서의 짧은 초점 거리 및 긴 초점 거리로의 점진적 변화를 제공한다. 일실시예에서, 수색 모드의 시야각은 30°이고, 추적 모드에서는 시야각은 상기 시야각의 10%, 즉 3°이다.

광학 케이지나 어셈블리는 광학 경로에 대해 회전하지 않기 때문에, 어셈블리의 이동과 관련된 지연은 제거된다. 수색 모드와 추적 양식 간의 시간 지체가 없으며, 전술한 2 시야각 시스템의 경우에서와 같이 추적 모드에서 수색 모드로의 전환 시 아무런 문제가 없다. 더욱이, 본 시스템은 이동 부품을 구비하고 있지 않기 때문에, 기계적 얼라인먼트 문제나 모터가 느려지거나 멈추게 되는 문제를 제거한다. 더욱이, 광학 세트를 강력하게 장착함으로써 높은 변동 환경이나 급속한 온도 변화와 관련된 문제를 제거한다. 그러므로 이러한 본 고정 광학 시스템에 의해 신뢰도가 향상된다.

그러므로 제공되는 것은 포착 시의 넓은 시야각으로부터 고정밀 추적 시의 좁은 시야각까지의 전체 범위를 제공하는, 강력하게 장착된 단일 광학 세트이다. 상기 시야각은 그 정상적인 좁은 시야각으로부터, 축에서 상당히 벗어나 있는 객체용 넓은 시야각으로 고의적으로 왜곡되며, 그 왜곡된 시야각으로 시작한다.

동작 시, 수색 모드에서 목표가 포착되면, 짐벌링 광학은 그 검출된 목표를 시스템의 광축을 따라 중심에 둔다. 시스템의 검출기 십자선 상에 목표를 두기 위한 광학 헤드의 짐벌링은 향상된 배율을 제공하며 이에 따라 향상된 추적 해상도의 인자이다. 목표가 광축으로 이동함에 따라, 시스템은 이제 짧은 초점 거리를 갖기보다는 상기 도입된 의도적 왜곡에 따라 비교적 긴 초점 거리를 갖게 된다.

본 발명에서는 미사일의 종류나 다른 위협을 인지할 필요가 없다. 적외선 대항책 시스템에서는, 미사일이 배출하는 연기인 복사 열원을 서서히 줄인다. 사용되는 미사일의 종류를 인식하려는 것이 아니라 뒤에서 뿜어져 나오는 열원의 존재를 인식하려 한다. 그러므로 축에서 벗어난 미사일이 약간만 왜곡된다 하여도, 그것은 과열(hot spot)이기 때문에 지나치게 관심을 두지 않는다.

헤드를 짐벌링함으로써 중심을 두어 상기 검출된 목표가 검출기의 시야각 내에 있게 되면, 짐벌 드라이브의 모터를 사용하여, 상기 왜곡된 광학 시스템으로 인해 과도하게 좁은 시야각인 것과 관련해서 날아오는 미사일의 연기를 정확하게 검출기의 중심에 위치시킨다.

일실시예에서, 본 시스템은 고정 대물 렌즈 및 초점면 어레이 상의 목표를 촬영하는 안 렌즈(eye lens) 또는 릴레이 렌즈를 포함한다. 본 실시예에서, 양측의 렌즈는 포지티브 렌즈이고 렌즈들이 모두 볼록/볼록형 렌즈인 포지티브 초점면을 갖는다. 대물 렌즈는 영상을 한 점에 모으고 안 렌즈 또는 릴레이 렌즈는 그것을 초점면 어레이에 집중시킨다.

적용되는 왜곡의 유형은 고정 광학 시스템을 벗어난 넓은 시야각을 얻기 위해 의도적으로 사용되는 소위 배럴 왜곡이다. 이 목적을 위해, 대물 렌즈 그룹은 그 주변에 왜곡을 점진적으로 증가시키도록 구성되어 있어 축을 벗어난 객체를 위한 넓은 시야각을 얻을 수 있다. 일실시예에서, 목표가 축 상에 있을 때 망원렌즈에 대응하는 고정 대물 렌즈의 정상적인 88 밀리미터 초점 길이는, 객체가 망원 렌즈와 관련된 좁은 시야각 외측으로 이동할 때의 초점 길이를 점진적으로 축소한다.

예를 들어, 객체가 대물 렌즈의 중심선에서 플러스 또는 마이너스 5°이동할 때, 시스템의 유효 초점 거리는 44 밀리미터가 된다. 그러므로 상기 렌즈 시스템에 생긴 2 대 1 왜곡률이 존재하므로, 시야각의 가장자리에서, 광학 시스템은 44 밀리미터 초점 길이, 넓은 시야각을 제공하는 짧은 초점 거리를 갖는 것처럼 보인다. 상기 렌즈 시스템의 중심선에 가까운 객체에 있어서는, 광학 시스템은 우수한 추적 및 우수한 해상도용 88 밀리미터 초점 거리 시스템처럼 보인다. 이러한 시스템에서 객체가 광학 시스템의 광축 근처에 있을 때 상기 객체는 2X 만큼 확대되는 반면 시야각의 끝에서 그 크기가 절반이 된다.

일실시예에서, 시야각을 향상시키기 위해 필요한 광학 왜곡을 제공하는 시스템은 볼록/볼록 렌즈를 구비하는 고전적 망원 렌즈를 구비한다. 이것은 차례로 네거티브/네거티브 또는 오목/오목 렌즈가 뒤이어지고, 2개의 렌즈가 함께 대물 렌즈로서 사용되는 망원 렌즈를 형성한다.

상기 광학 시스템에서는 예리하게 곡선을 이루는 렌즈들로 이루어지는 중간 그룹이 존재한다. 이러한 렌즈들 중 제1 렌즈는 포지티브/네거티브 렌즈이고 그 다음 포지티브/네거티브 렌즈가 뒤이어지고, 차례로 네거티브/포지티브 렌즈가 뒤를 잇는다. 이러한 렌즈들로 이루어진 그룹을, 필드 왜곡의 대부분을 생성하는 전달 렌즈 그룹이라 하며, 망원 렌즈 그룹으로부터 영상을 생성한다. 이러한 영상은 릴레이 렌즈 어셈블리라 하는 2 렌즈 그룹인 다음 그룹의 렌즈에 의해 전달된다. 릴레이 렌즈 어셈블리는 공중 이미지를 초점면에 전달한다.

상기 필요한 왜곡은 다양한 화학적 화합물을 갖는 일련의 렌즈에 의해 다양한 방식으로 제공된다는 것은 물론이지만, 일실시예에서, 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에 대한 상기 필요한 왜곡은 실리콘, 게르마늄, 유화물 유리(chalcogenide glass), 아연 황화물(zinc sulfide), 아연 셀렌화물(zinc sulfide) 및 칼슘 불화물 렌즈에 의해 제공된다.

이러한 광학 시스템에 있어서, 작고, 회절 제한된, 축 상에서의 약 40 마이크론의 영상 크기를 지정한다. 다른 파라미터는 필드의 가장자리에서의 영상들에 있어서, 축 상의 스폿 크기의 1 및 1/2 또는 60 마이크론보다 크게 되지 않도록 하는 것이다.

요약하면, 본 광학 시스템은 검출기에 집중된 렌즈로서 설명될 수 있다. 렌즈의 초점 거리는 주어진 검출기 크기의 시스템 시야각을 결정하되, 초점 거리를 더 길게 시야각은 더 좁게 되도록 하는 것이다.

렌즈 직경에 대한 초점 거리의 비율은 화질에 영향을 미치는바, 수는 더 크게 화질은 더 우수하게 한다는 것을 유념하라.

시스템의 광축으로부터 더욱 목표를 포착할 수 있게 되도록 하기 위해 짧은 초점 거리를 수반하는 시야각에 상기 유념할 바를 제공하면 고정된 광학 시스템의 원하는 결과가 얻어진다. 한편, 목표가 포착되면, 포인트 소스에 대한 정밀 추적은 긴 초점 거리 렌즈로부터 나오는 우수한 중심 해상도를 필요로 한다.

그러므로 제공되는 것은 필드 가장자리에서의 해상도에 있어서 넓은 시야각을 위한 짧은 초점 거리로부터 필드 중심에서의 고 해상도에 있어서 좁은 시야각을 위한 긴 초점 거리에 이르기까지 가변하는 비선형 시스템이다. 광학 왜곡의 기술은 시야각의 가장자리에서의 해상도에 비해 광학 시스템의 중심 해상도를 향상시키는 포빌 광학 또는 비선형 광학을 설계하는 것을 포함한다. 그 목적은 시야각의 가장자리에 있는 객체에 있어서, 어안 렌즈의 영상과 같은, 일그러진 또는 왜곡된 영상을 생성하기 위해 광학 설계 시 의도적으로 광학 왜곡을 생성하는 것이다.

본 발명은 하나의 부드러우면서 지속적인 동작에서 필드 전환 지연 및 불확실성 없이 목표 포착 모드로부터 목표 추적 모드로 진행할 수 있는 성능을 제공하는 것이다. 상기 광학은 2 시야각 시스템과 관련된 것들보다 더 간편하게, 더 저렴하게 그리고 더 단단하다. 또한, 본 시스템에는 이동성 부품이 없으므로 동작이 더 신뢰성이 있다.

요약하면, 강력하게 장착된 단일 광학 세트를 사용하여 지향성 대항책을 위해 2 시야각 시스템을 대체한다. 하나의 지속적이되 왜곡된 시야각 내에서, 필드의 가장자리에서 목표를 검출하고 포착하고 특징짓는 동시에 필드의 중심에서는 높은 목표 충실도로 정밀하게 추적할 수 있는 것을 포함한다. 복수의 목표에 있어서는 제1 목표의 추적 및 제2 목표의 포착 모두를 동시에 수행하면서 대항책 효과를 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 첨부된 도면을 참조하여, 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.

이제 도 1을 참조하면, 2 시야각 시스템이 구축되어 있는 내부 광학(도시되지 않음)을 장착한 짐벌 대항책 시스템(12)이 항공기(10)에 구비된 통상적인 시나리오가 도시되어 있다. 일실시예에서 수색 모드 시에는 30°의 각도를 이루는 넓은 시야각(14)이 도시되어 있고, 반면에 추적 모드에서는 시스템이 3°를 이루는 좁은 시야각(16)으로 전환하여 검출된 미사일을 추적한다.

여기서 개인(24)이 항공기(10)를 향해 견착 발사대(22)로부터 미사일(20)을 발사하고 있는 것으로 도시되어 있다.

미사일이 발사되었다는 것을 검출하였을 때, 대항책 시스템의 광학 중심선이 점선(26)으로 도시되어 있고 이러한 광학 중심선을 중심으로 좁은 시야각이 연장하는 있다.

미사일(20)이 발사되면 점선(28)으로 도시된 비행 경로를 따라 항공기(10)를 향해 날아간다. 넓은 시야각 광학 시스템이 전환되는 수색 단계 시에 미사일이 검출되면, 대항책 시스템은 짐벌링을 수행하여 그 광학 중심선(26)이 미사일(20)의 비행 경로(28)와 일치하도록 화살표(30)로 도시된 바와 같이 이동한다.

이와 같은 상황이 일어나면, 미사일(20)을 대항책 시스템의 광학의 좁은 시야각 내에 둠으로써 미사일의 공간적 위치를 정확하게 추적할 수 있다.

이러한 종래 시스템의 일실시예에서는, 추적 단계가, 미사일(20)이나 적어도 이 미사일의 연기(plume)를 시스템의 십자선 상의 중심에 두기 위해 광학 시스템을 짐벌링하는 단계를 포함한다. 상기 추적 단계는 고배율 및 좁은 시야각을 요구하는 광학 피드백 루프에 의해 수행된다.

미사일을 일단 성공적으로 추적하였다면, 대항책 시스템(12)은 미사일의 비행 선(line of flight)에 대응하는 그 광학 축을 따라 전파 교란용 복사를 방출한다. 상기 대항책 복사는 미사일의 십자선이나 목표 감지 유도 장치에 입사하여 미사일이 항공기(10)에 부딪치지 않도록 다른 데로 날아가게 하거나 전환시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 시스템은 32에 도시된 바와 같이 먼저 견착 발사 미사일의 발사를 검출한다. 34에 도시된 바와 같이, 대항책 시스템의 짐벌은 위협 객체를 포착할 수 있도록 회전된다. 일단 위협 객체의 존재를 포착하거나 인식하게 되면, 상기 짐벌은 36에 도시된 바와 같이, 대항책 시스템의 광학 시스템을 회전시켜 그 검출된 위협 객체를 포착 시야각의 중심에 둔다.

검출된 위협 객체를 포착 시야각의 중심에 둔 다음, 시스템은 추적 모드로 전환하며, 이 추적 모드에서는 후술되는 바와 같이 중간 렌즈 어셈블리의 회전이나 이동이 상기 사용된 광학 시스템의 광학 중심선을 벗어나 있어야 한다. 이것은 도 38에 도시된 바와 같이, 상기 광학을, 짐벌링 시스템을 사용하는 추적 모드로 전환시켜, 도 40에 도시된 바와 같이 위협 객체를 추적 모드의 시야각의 중심에 둔다. 상기 위협 객체를 추적 모드의 시야각의 중심에 둔 다음, 42에 도시된 바와 같이 대항책 시스템의 광축을 따라 전파 교란 복사를 방출하고 이 복사가 미사일의 목표 감지 유도 장치에 도착하면 상기 목표 감지 유도 장치의 유도 시스템에 혼란을 일으켜 미사일로 하여금 그 의도된 목표를 놓치게 한다.

전술한 바와 같이, 종래의 시나리오에서는 견착 발사 미사일에 대항하는데 거의 3초가 걸리며, 넓은 시야각에서 좁은 시야각으로 광학을 전환하는데 어떤 지연이 존재하면, 이 전환 지연은 미사일에 효과적으로 대항하는데 필요한 단계를 수행하는데 충분한 시간이 되지 못하는 중대 인자(magnitude)가 될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 도 1의 대항책 시스템 내의 광학 시스템이 일반적으로 고정 대물 렌즈 시스템(500), 이 시스템에 뒤이어진 필드 교환기 렌즈 어셈블리(52), 차례로 이 어셈블리에 뒤이어진 아이 렌즈(eye lens) 어셈블리 또는 릴레이 렌즈 어셈블리(54)로 이루어지며, 상기 릴레이 렌즈 어셈블리는 검출기(56)에 결과를 촬영하며, 상기 검출기는 본 실시예에서는 적외선 검출기로 이루어진 초점면 어레이이다.

상기 필드 교환기는 추적 모드로 전환될 때 상기 전체적인 어셈블리의 짧은 초점 거리에서 넓은 시야각을 제공하며, 화살표(58)로 표시된 방향으로 회전하여 광학 시스템의 광학 중심선(60)으로부터 멀어진다.

그 결과, 필드 교환기를 광축(60)을 따라 적소에 배치하면 시스템의 유효 초점 거리가 상대적으로 짧게 된다. 그렇지만, 상기 필드 교환기를 광축(60)에서 멀리 회전시키면, 일실시예에서는 고정 망원 대물 렌즈 시스템(50)이 상기 적소에 배치된 필드 교환기의 수배의 초점 거리를 갖는다. 그러므로 본 실시예에서는, 추적 모드에서, 상기 초점 거리가 수색 모드의 초점 거리의 수배가 될 수 있으며, 배율은 수배로 된다. 상기 필드 교환기는 솔레노이드 또는 모터(62)를 통해 광학 시스템을 벗어나 회전한다는 것에 유념하라.

도 4를 참조하면, 종래의 2 시야각 시스템의 일실시예에서, 대물 렌즈 어셈블리(50)는 배럴(76)에 장착된 고정 렌즈를 구성하는 일련의 렌즈(70, 72 및 74)를 포함한다.

반사기(82)와 함께 렌즈(78 및 80)로 구성된 릴레이 렌즈 어셈블리(54)와 상기 대물 렌즈 사이에는 필드 교환기에 해당하는 가동 어셈블리(52)가 설치되어 있다. 상기 가동 어셈블리는 복수의 깊이 만곡된 렌즈(84, 86 및 88)를 배럴(90) 내에 포함하고 상기 배럴은 상기 만곡된 렌즈들에 떨어져 있는 렌즈(92 및 94)도 포함한다. 어셈블리(52)는 추적 모드 시 중심선(60)으로부터 떨어져서 회전하여, 추적 모드 및 수색 또는 포착 모드 어느 모드에서나, 초점면 어레이(96) 상에 영상을 촬영한다.

도 5를 참조하면, 필드 전환 광학 시스템에 있어서, 피사체(100)가 축을 벗어나 있고 수색 또는 포착 모드에서 검출된다. 이 피사체는 짐벌링 시스템에 의해 십자선으로 이동하고, 영상(100')이 수색 또는 포착 단계 동안 십자선(102)으로 이동된다. 여기서는 필드 교환기에 의해 시야각이 모두 교환되고 영상(100 및 100')은 크기가 대략 같다는 것에 유념하라. 그러나 넓은 시야각의 십자선 중심, 즉 수색 포착 중심은 추적 모드의 좁은 시야각에서 십자선 또는 검출기 중심에서 떨어져서 위치할 수도 있다. 그러므로 센터링 프로세스를 반복하여 피사체(100 및 100')를 추적 십자선(102) 상에 가져와야 한다. 도 2에는 생략되어 있는 이러한 추가의 단계들이 대물 렌즈 시스템에 의해 수행된다.

이제 도 6을 참조하여 기계적 이동부를 포함하는 필드 교환기 없이, 광학 왜곡 기술을 사용하는 것에 대해 설명하는바, 축을 벗어나 있는 피사체(116)가 주 포빌 광학 시스템의 십자선(108)으로 이동한다. 피사체가 십자선(108) 상의 중심에 있게 되면, 상기 주 시스템에 의해 생기는 의도적 왜곡에 의해, 영상(106') 배율은 축을 벗어난 영상(106)의 배율의 2배가 된다.

요약하면, 본 발명의 비선형 시스템은 축을 벗어난 영상들을 왜곡하고 이것들을 그 가장자리를 더욱 작게 하며, 광학이 짐벌링을 수행하여 다가오는 미사일을 십자선의 중심에 두면, 추적 모드에서 더욱 우수한 배율을 얻게 되고 이러한 우수한 배율에 의해 더 짧은 시간 안에 고정밀로 신뢰성 있게 추적할 수 있다.

도 7을 참조하여, 본 발명의 비선형 또는 FOVEAL 촬영 시스템을 개략적으로 설명하는바, 상기 비선형 촬영 렌즈 시스템은 2개의 렌즈(120 및 122)를 포함한다. 렌즈(120)는 본질적으로 그 가장자리가 더 단단하게 둘러싸여 시스템에 왜곡된 필드 특성을 제공한다. 그러므로 예를 들어 축을 5°벗어난 위치(124)에 렌즈(120 및 122)를 통해 초점면 검출기 어레이(126)에 영상의 초점이 맞춰지고 이러한 축을 벗어난 영상에 대한 시스템의 유효 초점 거리는 128로 도시된 바와 같이 본 발명에서는 44 밀리미터이다. 축 상의 초점 거리(129)는 88 밀리미터이다. 본 실시예에서, 렌즈 왜곡은 중심 대 가장자리 해상도를 2:1의 비율로 나타낸다. 일실시예에서, 이러한 렌즈의 f수(F/no.)는 3.5이고 초점 거리는 44 밀리미터, 입구 동공은 12.5 밀리미터, 영상 배율은 축 상의 피사체의 1/2이다.

축 상 피사체의 경우, F수는 3.5이고 유효 초점 거리는 88 밀리미터이고 입구 동공은 -25 이며 영상 크기는 X이다.

도면 하단에 있는 테이블로부터 알 수 있는 바와 같이, 축에서 0°, 1°, 2°, 3°, 4°, 5°벗어난 영상의 경우, 초점이 초점면 검출기 상에 기하학적으로 묘사되어 있다.

이것으로부터 알 수 있는 것은 의도적으로 왜곡된 광학의 경우, 렌즈 시스템의 중심으로부터 가장자리로 배율이 감소하고 있다는 점이다.

도 7의 귀납적 관점으로 서술된 바는 비선형 또는 포빌 렌즈 시스템이지만, 원하는 왜곡이 다양한 방법으로 달성될 수 있다.

용어 FOVEAL은 인간의 눈과 유사한 용어로 사용되는데, 망막의 일부, 즉 황반(fovea)은 주위의 망막보다 우수한 감도와 해상도를 갖고 있다. 본 명세서에서 서술한 바와 같이 광학 필드를 왜곡함으로써, 검출기보다는 렌즈 - 또는 인간, 즉 망막의 경우 - 에 의해 우수한 감도 및 해상도를 달성한다.

원하는 왜곡을 달성할 수 있는 한 방법이 도 8a에 도시되어 있으며, 이 도면에서 비선형 대물 렌즈 어셈블리(130)는 대물 렌즈(132), 이 대물 렌즈에 뒤이어지는 콜리메이팅 렌즈(134), 차례로 이 콜리메이팅 렌즈에 이어지는 중간 렌즈 어셈블리(136)를 구비하는 일련의 고정 장착 렌즈로 이루어져 있으며, 상기 중간 렌즈 어셈블리(136)는 일련의 깊이 만곡된 렌즈(138, 140 및 142)로 구성된다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 대물 렌즈 어셈블리(130)는 도 7의 렌즈(120 및 122)로 설명된 바와 같은 기능을 한다.

대물 렌즈 어셈블리에 의해 제공되는 비선형 변환의 결과는 릴레이 렌즈 그룹(146)에 의해 중계되어 광학 시스템의 초점면에 설치되어 있는 초점면 어레이(148)에 영상을 집중시킨다.

축(150)의 중심에 똑바로 집중되어 있는 피사체에 있어서, 영상은 도시된 바와 같이 포인트(152)에 집중된다. 릴레이 렌즈 그룹은 렌즈(156 및 158)를 도시된 바와 같이 포함한다는 것에 유념하라.

도 8a에 대해 동일한 참조부호가 동일한 구성요소를 나타내는 도 8b를 참조하면, 축에서 5°벗어나 있는 영상의 경우, 5°영상 초점이 초점(156)으로 도시되어 있다.

렌즈 제조업자의 관점으로부터, 상기 주 비선형 렌즈 시스템을 제조할 수 있는 포빌 4-5 마이크론 대물 릴레이형 88 밀리미터 f-3.5 렌즈 어셈블리에 대해 이하에 설명한다. 여기서는 실리콘, 게르마늄, IG4 및 클리어트랜(Cleartran) 구성이 표시된 렌즈에 사용될 수 있음을 알 수 있다.

이러한 설명에 의하면, 배율이 중심축을 따라서는 커지고 축을 5°벗어난 경우에는 1/2 배율로 감소하는 배럴 왜곡을 갖는 광학이 달성된다.

본 발명을 여러 도면을 참조하여 양호한 실시예와 결합하여 설명하였지만 다른 유사한 실시예가 사용될 수 있으며 전술한 본 발명을 벗어남이 없이 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 실시예에 변형 및 추가가 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로 본 발명은 어느 하나의 실시예로 제한되는 것이 아니며, 첨부된 청구의 범위의 인용에 따라 그 폭과 범위가 정해진다.

Claims

2 시야각 시스템을 사용하지 않고 지향성 대항책 시스템을 사용하여 신속하게 위협을 포착하고 추적하는 방법에 있어서,

초점 거리가 가변인 고정 광학을 구비한 추적기를 제공하는 단계를 포함하며,

상기 초점 거리는 축을 벗어난 피사체에 대해서는 짧고 축 상의 피사체에 대해서는 길며, 이에 포착 시간이 짧고 2 시야각 시스템과 관련된 얼라인먼트 문제가 회피되는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제1항에 있어서,

상기 고정 광학의 시야각은 짧은 초점 거리에 대응해서 넓고 먼 시야각에 대응해서 좁은 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제2항에 있어서,

축을 벗어난 피사체가 좁은 시야각 내에 있을 때 상기 피사체를 확대하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제1항에 있어서,

상기 고정 광학에 의해 IR 초점면 어레이에 피사체를 촬영하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제1항에 있어서,

상기 고정 광학은 비선형 광학을 포함하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제1항에 있어서,

상기 고정 광학은 포빌 광학(Foveal optics)을 포함하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제1항에 있어서,

상기 고정 광학은 배럴(barrel) 왜곡 또는 다른 왜곡을 의도적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제1항에 있어서,

상기 고정 광학은 왜곡된 시야각의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
제1항에 있어서,

상기 고정 광학은 그 주변부에 배율이 낮은 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 방법.
위협 포착에 대해서는 시야각이 넓고 위협 추적에 대해서는 시야각이 좁은 지향성 대항책 시스템을 제공하는 방법에 있어서,

상기 지향성 대항책 시스템에 비선형 고정 광학을 갖는 추적기를 제공하는 단계를 포함하며,

넓은 시야각 및 좁은 시야각을 제공하기 위해 이동 부품을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 지향성 대항책 시스템 제공 방법.
제10항에 있어서,

상기 비선형 고정 광학은 포빌 광학을 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 대항책 시스템 제공 방법.
제10항에 있어서,

상기 고정 광학은 축을 벗어난 피사체에 대해서는 초점 거리가 짧고 축 상의 피사체에 대해서는 초점 거리가 긴 것을 특징으로 하는 지향성 대항책 시스템 제공 방법.
2 시야각 시스템을 사용하지 않고 지향성 대항책 시스템을 사용하여 신속하게 위협을 포착하고 추적하는 장치에 있어서,

초점 거리가 가변인 고정 광학을 구비한 추적기를 포함하며,

상기 초점 거리는 축을 벗어난 피사체에 대해서는 짧고 축 상의 피사체에 대해서는 길며, 이에 포착 시간이 짧고 2 시야각 시스템과 관련된 얼라인먼트 문제가 회피되는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 장치.
제13항에 있어서,

상기 고정 광학의 시야각은 짧은 초점 거리에 대응해서 넓고 먼 시야각에 대응해서 좁은 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 장치.
제13항에 있어서,

상기 고정 광학에 의해 피사체가 촬영되는 IR 초점면 어레이 또는 다른 검출기나 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 장치.
제13항에 있어서,

상기 고정 광학은 비선형 광학을 포함하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 장치.
제13항에 있어서,

상기 고정 광학은 포빌 광학을 포함하는 것을 특징으로 하는 포착 및 추적 장치.
위협 포착에 대해서는 시야각이 넓고 위협 추적에 대해서는 시야각이 좁은 지향성 대항책 시스템에 있어서,

비선형 고정 광학을 갖는 상기 지향성 대항책 시스템용 추적기를 포함하며, 이에 넓은 시야각 및 좁은 시야각을 제공하기 위해 이동 부품을 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 지향성 대항책 시스템 제공 방법.
제18항에 있어서,

상기 비선 고정 광학은 포빌 광학을 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 대항책 시스템.
제18항에 있어서,

상기 고정 광학은 축을 벗어난 피사체에 대해서는 초점 거리가 짧고 축 상의 피사체에 대해서는 초점 거리가 긴 것을 특징으로 하는 지향성 대항책 시스템.