RU2781592C1 - Неконтактный датчик цели боеприпаса - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области вооружений, а именно к неконтактному датчику цели боеприпаса. Неконтактный датчик цели боеприпаса содержит несколько оптических блоков, каждый из которых отслеживает появление цели в своем секторе пространства. Каждый оптический блок содержит приемный канал с фокусирующей линзой, светофильтром и фотоприемником и излучательный канал с источником оптического излучения, коллимирующей линзой, системой светоделения и защитным окном. Датчик содержит электронный блок, количество пар входов и выходов которого равно числу оптических блоков. Выход каждой пары соединен с источником оптического излучения, а вход с фотоприемником оптического блока. Каждый источник оптического излучения содержит два лазерных диода с излучающими площадками, которые расположены симметрично относительно плоскости симметрии, проходящей через ось боеприпаса. Ось каждой излучающей площадки, параллельная плоскости P-N-перехода тела свечения лазерного диода, параллельна плоскости симметрии. Оси излучения лазерных диодов сходятся с углом α между осями, а ось излучательного канала совпадает с биссектрисой этого угла. Коллимирующая линза и система светоделения выполнены в виде комбинированного оптического элемента, дальняя от лазерных диодов выпуклая поверхность которого имеет форму прямого цилиндра с направляющей в виде дуги окружности радиуса R. Ось прямого цилиндра перпендикулярна оси излучательного канала, лежит в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, и расположена на таком расстоянии от излучающих площадок, что фокальная плоскость поверхности в виде прямого цилиндра проходит через центры излучающих площадок, а выпуклая поверхность обращена к лазерным диодам. Фокальная плоскость имеет форму прямого гиперболического цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, а направляющая лежит в этой плоскости симметрично относительно оси излучательного канала и имеет вид гиперболы, описываемой уравнением: Y²=2⋅р⋅Х-(1-ε²)⋅Х², где величины р, ε, R и α выбраны так, что при прохождении излучения лазерных диодов через указанную поверхность в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, обеспечивается сложение и формирование излучения лазерных диодов в сплошную диаграмму направленности излучения оптического блока с заданной угловой шириной. Оси и плоскости симметрии диаграмм чувствительности и направленности излучения оптического блока параллельны. Чувствительный элемент фотоприемника имеет прямоугольную форму, его длинная ось параллельна плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов. Угловая ширина приемной диаграммы чувствительности оптического блока в этой плоскости превышает соответствующую угловую ширину диаграммы направленности излучения оптического блока в параллельной плоскости на величину от 5 до 10%, а в ортогональном направлении на величину от 30 до 50%. Технические результаты заключаются в повышении вероятности и дальности обнаружения малоразмерных целей, минимизации габаритов датчика цели и упрощении его настройки. 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Изобретение относится к области вооружений и может быть применено в неконтактных взрывателях, использующих излучение оптического диапазона для обнаружения цели, например, в зенитных снарядах и ракетах.

Известно бортовое устройство с лазерным блоком для обнаружения целей (патент США №5138947 МПК F42C 13/02 опубл. 18.08.1992), состоящее из источника оптического излучения, коллимирующей линзы, двух зеркал и фотоприемника. Зеркала установлены на подвижную панель, которая фиксируется в двух положениях. Одно из зеркал плоское и выполнено в форме уголкового отражателя. Второе зеркало выполнено фокусирующим. В первом положении панели оба зеркала находятся внутри корпуса устройства и лазерное излучение не выходит наружу. Во втором положении панели излучение источника, установленного в фокальной плоскости коллимирующей линзы, отражается от первого зеркала и выводится наружу в направлении "вперед и вбок" относительно направления движения боеприпаса. Оптическое излучение, отраженное от поверхности цели фокусируется (собирается) вторым зеркалом на фотоприемник, установленный в фокусе этого зеркала. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический и производит его дальнейшую обработку.

К недостаткам следует отнести невысокую точность установки заданной дальности срабатывания, поскольку пересечение осей диаграммы направленности источника оптического излучения и диаграммы чувствительности фотоприемника на определенном расстоянии от боеприпаса обеспечивается только технологически, а также недостаточная защищенность от оптических помех. Недостатком является и значительное ухудшение аэродинамических параметров боеприпаса с данным устройством, что затрудняет его использования при высоких скоростях движения боеприпаса.

Известен оптический дистанционный взрыватель (Патент ФРГ N 2949521 МПК F42C 13/02 опубл. 21.10.82), состоящий из источника оптического излучения, работающего в пульсирующем режиме, коллимирующей и фокусирующей линз, и фотоприемника. Фотоприемник установлен таким образом, что ось диаграммы направленности источника оптического излучения пересекает ось диаграммы чувствительности фотоприемника на определенном расстоянии от боеприпаса, в результате чего дистанционный взрыватель срабатывает только при наличии цели на заданном расстоянии. Излучение от источника проходит через коллимирующую линзу, отражается от поверхности цели и, если она находится на заданном расстоянии от боеприпаса, через фокусирующую линзу попадает на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал в электрический и производит его дальнейшую обработку.

Недостатком этого устройства является низкая вероятность обнаружения малоразмерных целей и невысокая точность установки заданной дальности срабатывания, поскольку пересечение осей диаграммы направленности источника оптического излучения и диаграммы чувствительности фотоприемника на определенном расстоянии от боеприпаса обеспечивается только технологически. К недостаткам следует отнести и недостаточную защищенность от оптических помех.

Известен неконтактный датчик цели боеприпаса, содержащий несколько оптических блоков (патент РФ №2151372, МПК F42C 13/02 от 26.06.1998), каждый из которых отслеживает появление цели в своем секторе пространства, оптический блок содержит излучательный канал с источником оптического излучения, коллимирующей линзой, системой светоделения и защитным окном, и приемный канал с фокусирующей линзой, светофильтром и фотоприемниками. Система светоделения выполнена в виде, по крайней мере, двух плоских отражающих зеркал, установленных с возможностью углового перемещения в пространстве независимо друг от друга и обеспечивающих пересечение осей диаграммы направленности источника оптического излучения и диаграммы чувствительности фотоприемника на требуемом расстоянии.

Данное устройство является наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению.

Недостатком этого устройства является небольшое расстояние обнаружения малоразмерных целей, поскольку для получения отражения излучения от цели используется излучение только одного источника оптического излучения. Также недостатком является невысокая вероятность обнаружения цели, поскольку отсутствует сплошная диаграмма направленности источника оптического излучения. Кроме того, юстировка устройства довольно сложная, поскольку требуется обеспечить пересечение осей диаграмм на заданном расстоянии от боеприпаса.

Задачей изобретения является повышение вероятности и увеличение дальности обнаружения малоразмерных целей, а также упрощение настройки устройства.

Технический результат - повышение вероятности и дальности обнаружения малоразмерных целей за счет формирования непрерывной без провалов диаграммы направленности излучения и увеличения суммарной мощности излучения оптического блока неконтактного датчика цели боеприпаса, минимизация габаритов датчика цели, упрощение настройки устройства.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Неконтактный датчик цели боеприпаса, содержащий несколько оптических блоков, каждый из которых отслеживает появление цели в своем секторе пространства, каждый оптический блок содержит приемный канал с фокусирующей линзой, светофильтром и фотоприемником и излучательный канал с источником оптического излучения, коллимирующей линзой, системой светоделения и защитным окном, выполнен так, что он содержит электронный блок, количество пар входов и выходов которого равно числу оптических блоков, выход каждой пары соединен с источником оптического излучения, а вход с фотоприемником оптического блока, каждый источник оптического излучения содержит два лазерных диода с излучающими площадками, которые расположены симметрично относительно плоскости симметрии, проходящей через ось боеприпаса, ось каждой излучающей площадки, параллельная плоскости Р-N-перехода тела свечения лазерного диода параллельна плоскости симметрии, причем оси излучения лазерных диодов сходятся под углом α, а ось излучательного канала совпадает с биссектрисой этого угла, коллимирующая линза и система светоделения выполнены в виде комбинированного оптического элемента, дальняя от лазерных диодов выпуклая поверхность которого имеет форму прямого цилиндра с направляющей в виде дуги окружности с радиусом R, ось прямого цилиндра перпендикулярна оси излучательного канала, лежит в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов и расположена на таком расстоянии от излучающих площадок, что фокальная плоскость поверхности в виде прямого цилиндра проходит через центры излучающих площадок, а выпуклая поверхность обращенная к лазерным диодам, имеет форму прямого гиперболического цилиндра, образующая которого перпендикулярна плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, а направляющая лежит в этой плоскости симметрично относительно оси излучательного канала и имеет вид гиперболы, описываемой уравнением: Y²=2⋅р⋅Х-(1-ε²)⋅Х², где величины р и ε выбраны так, что при прохождении излучения лазерных диодов через указанную поверхность в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, обеспечивается сложение и формирование сплошной диаграммы направленности излучения оптического блока с заданной угловой шириной, причем оси и плоскости симметрии диаграмм чувствительности и направленности излучения оптического блока параллельны, чувствительный элемент фотоприемника имеет прямоугольную форму, его длинная ось параллельна плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, угловая ширина приемной диаграммы чувствительности оптического блока в этой плоскости превышает соответствующую угловую ширину диаграммы направленности излучения оптического блока в параллельной плоскости на величину от 5 до 10%, а в ортогональном направлении на величину от 30 до 50%, причем в приемном канале перед фокусирующей линзой может быть расположено защитное окно.

Технический результат достигается за счет одновременного достижения в комбинированном оптическом элементе излучательного канала функции коллимирования излучения (на поверхности линзы, дальней от лазерных диодов) лазерных диодов в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, а также функции сложения излучения (на поверхности линзы, ближней к лазерным диодам) от двух лазерных диодов и формирования сплошной диаграммы направленности излучения оптического блока с заданной угловой шириной, а также сплошной приемной диаграммы чувствительности оптического блока с заданной угловой шириной в этой плоскости за счет использования чувствительного элемента фотоприемника прямоугольной формы. Минимальные габариты оптического блока при использовании двух лазерных диодов достигаются за счет того, что оси излучения лазерных диодов сходятся с углом α между осями, а также за счет того, что круговая цилиндрическая поверхность коллимирующей линзы находится на стороне, дальней от лазерных диодов. Кроме того, применение электронного блока, количество пар входов и выходов которого равно числу оптических блоков, причем выход каждой пары соединен с источником оптического излучения, а вход с фотоприемником оптического блока, позволяет использовать дальномерный метод измерения расстояния до цели, что позволяет упростить конструкцию и сборку устройства.

Изобретательский уровень предлагаемого неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего несколько оптических блоков, подтверждается тем, что он обеспечивает, по сравнению с известными аналогами повышение вероятности и увеличение дальности обнаружения малоразмерной цели посредством повышения мощности излучения на цели за счет сложения излучения от двух лазерных диодов и формирование сплошной диаграммы направленности излучения оптического блока заданной угловой ширины, кроме того, упрощается сборка устройства.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показано взаимное расположение элементов одного оптического блока неконтактного датчик цели боеприпаса, ход лучей в приемном и излучательном каналах оптического блока и электронный блок.

На фигуре 2 показано сечение излучательного канала оптического блока неконтактного датчик цели боеприпаса плоскостью, проходящей через оси излучения лазерных диодов, и ход лучей, ограничивающих угловую диаграмму направленности излучения оптического блока в этой плоскости.

На фигуре 3 показано сечение приемного канала плоскостью, проходящей через длинную ось чувствительного элемента фотоприемника и ось фокусирующей линзы, а также ход лучей, ограничивающих приемную диаграмму чувствительности оптического блока в этой плоскости.

На фигуре 4 показана диаграмма направленности излучения неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков, со сплошной 360° зоной обнаружения цели.

На фигуре 5 приведен вид комбинированного оптического элемента излучательного канала с направления, перпендикулярного осям X и Y (см. фиг. 2). Выпуклая поверхность описывается уравнением:

Y²=2⋅p⋅X-(1-ε²)⋅X²

На фигуре 6 приведен вид комбинированного оптического элемента излучательного канала с направления оси Y (см. фиг. 2). R - радиус цилиндрической поверхности.

На фигуре 7 приведен график зависимости параметра р гиперболической поверхности комбинированного оптического элемента от угла α для неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков.

На фигуре 8 приведен график зависимости эксцентриситета ε гиперболической поверхности комбинированного оптического элемента от угла α для неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков.

На фигуре 9 приведен график зависимости расстояния δ между выпуклой поверхностью комбинированного оптического элемента, обращенной к лазерным диодам и линией, соединяющей центры излучающих площадок лазерных диодов от угла α для неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков.

На фигуре 10 приведен график зависимости радиуса R поверхности комбинированного оптического элемента от угла α для неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков.

На фигуре 11 приведен график зависимости параметра р гиперболической поверхности комбинированного оптического элемента из поликарбоната от угла α для неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего восемь оптических блоков с угловой шириной диаграммы направленности излучения каждого блока 39,5° и углом β=60°.

На фигуре 12 приведен график зависимости эксцентриситета ε гиперболической поверхности от угла α для неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего восемь оптических блоков с угловой шириной диаграммы направленности излучения каждого канала 39,5°.

На фигуре 13 приведен график зависимости расстояния δ от угла α неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего восемь оптических блоков с угловой шириной диаграммы направленности излучения каждого канала 39,5°.

На фигуре 14 приведен график зависимости радиуса R поверхности комбинированного оптического элемента из поликарбоната от угла α неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего восемь оптических блоков с угловой шириной диаграммы направленности излучения каждого канала 39,5°.

Осуществление изобретения

Неконтактный датчик цели боеприпаса, содержит несколько оптических блоков, каждый из которых отслеживает появление цели в своем секторе пространства. Каждый оптический блок (фиг. 1) содержит приемный канал с фокусирующей линзой 1, светофильтром 2 и фотоприемником 3 с чувствительным элементом 4 прямоугольной формы, где В - ось чувствительного элемента 4 в направлении большего размера, и излучательный канал с источником оптического излучения, состоящим из двух импульсных лазерных диодов 5 и 6, комбинированным оптическим элементом 9, который выполняет функции коллимирующей линзы и системы светоделения и защитным окном 10. Оптическая ось приемного канала O2-O4 пересекается с осью O1-O2-О3 боеприпаса и направлена вперед и вбок под углом В к ней. Плоскость симметрии приемного канала Р1-Р2-Р3-Р4 проходит через большую ось В чувствительного элемента 4 прямоугольной формы и оптическую ось приемного канала O2-O4 и показана пунктирными линиями. Она перпендикулярна плоскости, проходящей через оси O1-O2-O3 и O2-O4. Излучательный канал смещен от приемного канала вдоль оси боеприпаса. Импульсные лазерные диоды 5 и 6 источника оптического излучения имеют прямоугольные излучающие площадки 7 и 8, которые расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось O1-O2-O3 боеприпаса. Расстояние между центрами излучающих площадок выбирается в зависимости от калибра боеприпаса, и для обеспечения минимальных габаритов излучательного канала определяется размерами корпусов лазерных диодов при их установке на минимальном расстоянии друг от друга. Оси Z1 и Z2 излучающих площадок 7 и 8 тел свечения лазерных диодов, параллельные плоскостям P-N-перехода тел свечения лазерных диодов 5 и 6, параллельны этой плоскости. Оси излучения Е1 и Е2 лазерных диодов 5 и 6 лежат в одной плоскости D1-D2-D3-D4 (показанной пунктирными линиями) и сходятся с углом а между осями, а ось излучательного канала O1-O5 совпадает с биссектрисой этого угла. Далее по оси O1-O5 расположен комбинированный оптический элемент 9 и защитное окно 10.

Выпуклая поверхность 11 комбинированного оптического элемента 9, дальняя от лазерных диодов 5 и 6, имеет форму прямого цилиндра с направляющей в виде дуги окружности радиуса R, ось прямого цилиндра перпендикулярна оси излучательного канала O1-O5, лежит в плоскости, проходящей через оси Е1 и Е2 излучения лазерных диодов 5 и 6 и расположена на таком расстоянии от излучающих площадок 7 и 8, что фокальная плоскость поверхности 11 радиуса R проходит через центры излучающих площадок 7 и 8. Поэтому поверхность 11 комбинированного оптического элемента 9 является цилиндрической коллимирующей линзой для излучения лазерных диодов 5 и 6 в направлении осей Z1 и Z2. Выпуклая поверхность 12 комбинированного оптического элемента 9 (фиг. 2), обращенная к лазерным диодам 5 и 6 имеет форму прямого гиперболического цилиндра, образующая которого перпендикулярна плоскости D1-D2-D3-D4, а направляющая лежит в этой плоскости, симметрично относительно оси O1-O5 излучательного канала и имеет вид гиперболы, описываемой уравнением: Y²=2⋅p⋅X-(1-ε²)⋅Х², где р - параметр, ε - эксцентриситет. Характеристики гиперболы р и ε выбраны так, что при прохождении излучения лазерных диодов 5 и 6 через поверхность 12 в плоскости D1-D2-D3-D4 обеспечивается сложение и формирование их излучения в сплошную диаграмму направленности излучения оптического блока с заданной угловой шириной Q1. Оси диаграмм направленности излучательного O1-O5 и приемного O2-O4 каналов, а также плоскости симметрии D1-D2-D3-D4 и Р1-Р2-Р3-Р4 параллельны, угловая ширина в G1 фиг. 3) приемной диаграммы чувствительности оптического блока в плоскости Р1-Р2-Р3-Р4 превышает угловую ширину Q1 диаграммы направленности излучения оптического блока на величину от 5 до 10%, а в ортогональном направлении на величину от 30 до 50%, причем в приемном канале перед фокусирующей линзой может быть расположено защитное окно. Кроме этого неконтактный датчик цели боеприпаса содержит электронный блок 13, количество пар входов и выходов которого равно числу оптических блоков, выход каждой пары соединен с источником оптического излучения соответствующего оптического блока -лазерными диодами 5 и 6, а вход с фотоприемником 3 оптического блока.

Неконтактный датчик цели боеприпаса работает следующим образом. По сигналу с выхода электронного блока 13 лазерные диоды 5 и 6 излучают импульс излучения. При этом электронный блок 13 с момента генерации импульса излучения в каждой паре вход-выход начинает отсчет времени. Излучение лазерных диодов 5 и 6 проходит комбинированный оптический элемент 9, который формирует диаграмму направленности излучения излучательного канала. Дальняя от лазерных диодов часть комбинированного оптического элемента 9 с поверхностью 11 для излучения лазерного диода в направлении, перпендикулярном плоскости D1-D2-D3-D4, является коллимирующей цилиндрической линзой, в фокальной плоскости которой расположены прямоугольные излучающие площадки 7 и 8. Поэтому в этом направлении она уменьшает расходимость излучения лазерных диодов 5 и 6. Поскольку оси Z1 и Z2 прямоугольных излучающих площадок 7 и 8 лазерных диодов 5 и 6 перпендикулярны плоскости D1-D2-D3-D4, а как известно (например, справочные данные по лазерным диодам SPL PL90_3 фирмы OSRAM OptoSemiconductors GmbH, www.osram-os.com) расходимость излучения в направлении оси, параллельной плоскости р-n перехода в 2…3 раза меньше, чем в ортогональном, то указанная взаимная ориентация излучающих площадок 7 и 8 и цилиндрической поверхности 11 обеспечивает в этом направлении узкую диаграмму направленности излучения излучательного канала. В ортогональной плоскости, проходящей через оси излучения Е1 и Е2 лазерных диодов 5 и 6 (фиг. 2), поверхность 12 комбинированного оптического элемента 9 имеет вид гиперболы описываемой уравнением: Y²=2⋅р⋅Х-(1-ε²)⋅Х², (параметры которой р и ε определяются углом а между осями излучения Е1 и Е2 лазерных диодов, расходимостью излучения лазерных диодов 5 и 6, требуемой угловой шириной Q1 диаграммы направленности излучения излучательного канала, расстоянием δ между серединой отрезка, соединяющего центры излучающих площадок 7 и 8 лазерных диодов 5 и 6 с ближней точкой выпуклой поверхности 12 комбинированного оптического элемента 9, расходимостью излучения лазерных диодов 5 и 6), что обеспечивает сложение излучения двух лазерных диодов 5 и 6 и формирование сплошной диаграммы направленности излучения оптического блока с заданным углом Q1 расходимости излучения. После прохождения защитного окна 10 излучение выходит из боеприпаса, и при наличии цели в диаграмме направленности излучения излучательного канала отражается от нее. Отраженное от цели излучение попадает на фокусирующую линзу 1 приемного канала (фиг. 1, фиг. 3), проходит светофильтр 2 и попадает на фотоприемник 3 с чувствительным элементом 4 прямоугольной формы. Далее сигнал с фотоприемника 3 попадает на вход электронного блока 13, где в каждой паре вход-выход регистрируется время задержки между излученным и принятым импульсами излучения. Далее по величине времени задержки определяется расстояние до цели и принимается решение на срабатывание боеприпаса. Причем сигналы на источники оптического излучения на всех выходах генерируются одновременно (с разбросом не более 5% от максимальной величины времени задержки между излученным и принятым импульсами излучения). Величина разброса не более 5% обеспечивает отсутствие взаимных помех в соседних оптических блоках, в случае, когда угловые диаграммы соседних приемных каналов пересекаются. Длина чувствительного элемента 4 в направлении оси В, в сочетании с величиной фокусного расстояния линзы 1 выбрана так, что угловая ширина G1 приемной диаграммы чувствительности оптического блока в плоскости Р1-Р2-Р3-Р4 превышает угловую ширину Q1 диаграммы направленности излучения оптического блока в плоскости D1-D2-D3-D4 на величину от 5 до 10%. Такое соотношение выбрано для того, чтобы при параллельной союстировке осей приемного и излучательного каналов (с точностью около 5% от угловой ширины Q1, что просто обеспечивается технологическими допусками и упрощает настройку по сравнению с прототипом, где требуется точная союстировка) диаграмма направленности излучения оптического блока всегда находилась внутри приемной диаграммы чувствительности. Это исключает потери лазерного излучения. Если превышение угловой ширины приемной диаграммы чувствительности больше 10%, то это не способствует упрощению союстировки осей каналов, а фон в приемном канале увеличивается, что снижает отношение сигнал/шум в электронном блоке 13 при измерении времени задержки и уменьшает дальность регистрации малоразмерной цели. Если превышение угловой ширины приемной диаграммы чувствительности менее 5%, то возрастают требования к точности союстировки осей каналов, что приводит к усложнению союстировки Ширина чувствительного элемента 4 в направлении перпендикулярном плоскости Р1-Р2-Р3-Р4 определяет угловую ширину приемной диаграммы чувствительности G2 в этом направлении. Величина G2 выбирается так, чтобы диаграмма направленности излучения оптического блока в этом направлении также всегда находилась внутри приемной диаграммы чувствительности. В этом направлении, по сравнению с ортогональной плоскостью, угловая ширина диаграммы направленности излучения оптического блока меньше примерно от 5 до 20 раз. Поэтому требование превышения угловой ширины приемной диаграммы чувствительности оптического блока на величину от 30% до 50% от угловой ширины диаграммы направленности излучения оптического блока, приводит примерно к тем же требованиям по точности параллельной союстировки осей в направлении осей Z1 и Z2, что и в ортогональной плоскости. Если превышение угловой ширины составляет менее 30%, то в этом направлении существенно возрастают требования к точности союстировки параллельности осей, что усложняет сборку оптического блока. Если превышение угловой ширины в этом направлении составляет более 50%, то происходит существенное увеличение фоновой засветки фотоприемника, что приводит к уменьшению дальности обнаружения цели.

Для обеспечения требуемой угловой ширины приемной диаграммы чувствительности G1, длина L, мм, прямоугольного чувствительного элемента 4 в направлении оси В рассчитывается по формуле:

где F - фокусное расстояние фокусирующей линзы 1, мм;

Ширина W, мм, прямоугольного чувствительного элемента 4 рассчитывается по формуле:

Количество оптических блоков в неконтактном датчике цели боеприпаса, содержащем несколько оптических блоков, каждый из которых отслеживает появление цели в своем секторе пространства, выбирается исходя из характеристик (калибра, дальности обнаружения цели, скорости и т.д.) боеприпаса. Диаметры окон и расстояние между осями излучательного и приемного каналов, величина угла β также выбираются исходя из характеристик боеприпаса. Оптимальная величина угла β находится в диапазоне от 60° до 90°. Для обеспечения сплошной 360° зоны обнаружения цели вокруг оси боеприпаса, неконтактный датчик цели боеприпаса должен содержать такое количество оптических блоков, показанных на фиг. 1, чтобы их диаграммы направленности излучения составляли сплошную поверхность. Пример такой диаграммы направленности излучения неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности на боеприпасе, показан на фиг. 4. Диаграмма неконтактного датчика цели образована пересекающимися на границах диаграммами 14, 15, 16, 17, 18 и 19 с одинаковой угловой шириной диаграммы направленности излучения каждого оптического блока Q1=54°. Углы β между осями диаграмм и осью боеприпаса составляет 60°. Отметим, что в неконтактном датчике цели боеприпаса со сплошной 360° зоной обнаружения цели, сигналы на источники оптического излучения на всех выходах электронного блока 13 генерируются одновременно (с разбросом не более 5% от максимальной величины времени задержки между излученным и принятым импульсами излучения) с заданной частотой следования. Величина разброса не более 5% обеспечивает отсутствие ошибок измерения расстояния в соседних оптических блоках в случае, когда угловые диаграммы соседних излучательных каналов пересекаются. Если импульсы излучения не синхронизованы, то при положении цели в зоне пересечения диаграмм, оптический импульс, излученный одним каналом, может быть принят другим каналом с ошибкой по времени, равной максимальной величине времени задержки. При этом со входов двух каналов одновременно придут сигналы, но с различием по времени задержки равным его максимальной величине. Это приведет к неоптимальному срабатыванию боеприпаса и снижению эффективности поражения цели.

Авторами разработан и изготовлен макет неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности на боеприпасе. Угол β=60°, угловая ширина диаграммы направленности излучательного канала каждого оптического блока в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов Q1=54°, в ортогональном направлении Q2=3°. Такое соотношение углов обеспечивает сплошную 360° диаграмму обнаружения цели вокруг боеприпаса. Использованы лазерные диоды фирмы OSRAM SPL PL90_3 с мощностью излучения 90 Вт на длине волны 905 нм. Размер излучающей площадки 200×10 мкм². Электронный блок имел 6 пар входов и выходов, выход каждой пары соединен с лазерными диодами, а вход с фотоприемником. Лазерные диоды работали в импульсно-периодическом режиме с длительностью фронта импульса по уровню 0,1-0,9 около 10 нс и частотой следования импульсов 20 кГц. Угол α между осями излучения Е1 и Е2 лазерных диодов 5 и 6 составил 12°. Расходимость излучения лазерного диода составляла 9° - в направлении, параллельном плоскости р-n- перехода, и 25° - в направлении, перпендикулярном плоскости р-n- перехода. Для указанных величин параметров элементов оптического блока параметры гиперболы комбинированного оптического элемента из поликарбоната имели величины р=2,7 мм и ε=4,11. При этом расстояние δ между серединой отрезка, соединяющего центры излучающих площадок лазерных диодов с ближней точкой выпуклой поверхности 12 комбинированного оптического элемента 9 составляет δ=5,3 мм, а радиус R цилиндрической поверхности 11 комбинированного оптического элемента, равен R=5,0 мм. Расстояние между центрами излучающих площадок лазерных диодов составляло 5,2 мм. Длина комбинированного оптического элемента 13 мм, ширина 6 мм. Эти величины определялись расходимостью излучения лазерных диодов и габаритными ограничениями, связанными с калибром боеприпаса. Эскизы комбинированного оптического элемента 9 из поликарбоната показаны на фиг. 5 и фиг. 6. При таких параметрах элементов излучательного канала обеспечивалась практически равномерная (с выбросами на краях диаграммы не более 30%) диаграмма направленности излучения с угловой шириной Q1=54° в одной плоскости и угловой шириной Q2=3° в ортогональном направлении. Размер чувствительного элемента фотоприемника равен 9×0,6 мм², угловые ширины G1=59° и G2=4°. Для улучшения аэродинамических характеристик неконтактного датчика цели боеприпаса в приемном канале также было установлено защитное окно. Расстояние между центрами защитных окон приемного и излучательного каналов составляло 21,5 мм. Испытания, проведенные на макете, показали уверенную регистрацию малоразмерной цели в широком диапазоне расстояний, в том числе на фоне подстилающей поверхности.

Для неконтактного датчика цели боеприпаса с 6 оптическими блоками при угле β=60° величины параметров гиперболы р и ε, а также расстояния δ и радиуса R в зависимости от величины угла α приведены на фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10. Расстояние между центрами излучающих площадок выбиралось минимальным. Материал комбинированного оптического элемента излучательного канала - поликарбонат.

Для неконтактного датчика цели боеприпаса с 8 оптическими блоками с шириной угловой диаграммы излучательного канала 39,5° при угле β=60° величины параметров гиперболы р и ε, а также расстояния δ и радиуса R в зависимости от величины угла α при минимальном расстоянии между центрами излучающих площадок приведены на фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13, фиг. 14. Материал комбинированного оптического элемента излучательного канала - поликарбонат.

Таким образом, неконтактный датчик цели боеприпаса обеспечивает обнаружение малоразмерной цели при любом ее положении вокруг оси боеприпаса при угловой ширине диаграммы направленности излучения оптического блока от 39,5 до 60° в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов и величине угла β в диапазоне от 60° до 90°. Минимальные габариты оптического блока обеспечиваются при угле α между осями излучения лазерных диодов в диапазоне от 0 до 12 градусов при параметрах гиперболы р в диапазоне от 2,7 до 5,3 мм, с в диапазоне от 2,3 до 5,4, при расстоянии между центрами излучающих площадок лазерных диодов в диапазоне от 5 до 6 мм, величине δ в диапазоне от 5,27 до 7,23 мм и R в диапазоне от 5 до 6,3 мм. Цифры даны для комбинированного оптического элемента излучательного канала из материала с показателем преломления 1,57 для длины волны излучения 905 нм. Для материала с другим показателем преломления указанные параметры пересчитываются так, чтобы обеспечивалось сложение и формирование излучения от двух лазерных диодов в равномерную диаграмму направленности излучения с заданной угловой шириной.

Claims (2)

1. Неконтактный датчик цели боеприпаса, содержащий несколько оптических блоков, каждый из которых отслеживает появление цели в своем секторе пространства, каждый оптический блок содержит приемный канал с фокусирующей линзой, светофильтром и фотоприемником и излучательный канал с источником оптического излучения, коллимирующей линзой, системой светоделения и защитным окном, отличающийся тем, что он содержит электронный блок, количество пар входов и выходов которого равно числу оптических блоков, выход каждой пары соединен с источником оптического излучения, а вход с фотоприемником оптического блока, каждый источник оптического излучения содержит два лазерных диода с излучающими площадками, которые расположены симметрично относительно плоскости симметрии, проходящей через ось боеприпаса, ось каждой излучающей площадки, параллельная плоскости P-N-перехода тела свечения лазерного диода, параллельна плоскости симметрии, причем оси излучения лазерных диодов сходятся с углом α между осями, а ось излучательного канала совпадает с биссектрисой этого угла, коллимирующая линза и система светоделения выполнены в виде комбинированного оптического элемента, дальняя от лазерных диодов выпуклая поверхность которого имеет форму прямого цилиндра с направляющей в виде дуги окружности радиуса R, ось прямого цилиндра перпендикулярна оси излучательного канала, лежит в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, и расположена на таком расстоянии от излучающих площадок, что фокальная плоскость поверхности в виде прямого цилиндра проходит через центры излучающих площадок, а выпуклая поверхность, обращенная к лазерным диодам, имеет форму прямого гиперболического цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, а направляющая лежит в этой плоскости симметрично относительно оси излучательного канала и имеет вид гиперболы, описываемой уравнением: Y²=2⋅р⋅Х-(1-ε²)⋅Х², где величины р, ε, R и α выбраны так, что при прохождении излучения лазерных диодов через указанную поверхность в плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, обеспечивается сложение и формирование излучения лазерных диодов в сплошную диаграмму направленности излучения оптического блока с заданной угловой шириной, причем оси и плоскости симметрии диаграмм чувствительности и направленности излучения оптического блока параллельны, чувствительный элемент фотоприемника имеет прямоугольную форму, его длинная ось параллельна плоскости, проходящей через оси излучения лазерных диодов, угловая ширина приемной диаграммы чувствительности оптического блока в этой плоскости превышает соответствующую угловую ширину диаграммы направленности излучения оптического блока в параллельной плоскости на величину от 5 до 10%, а в ортогональном направлении на величину от 30 до 50%.

2. Неконтактный датчик цели боеприпаса по п. 1, отличающийся тем, что в приемном канале перед фокусирующей линзой расположено защитное окно.

Images