RU2812116C1 - Лазерный неконтактный датчик цели боеприпаса - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области вооружений и касается лазерного неконтактного датчика цели боеприпаса. Датчик содержит несколько оптических блоков и дальномерный блок. Каждый оптический блок содержит приемный канал с фотоприемником с чувствительным элементом прямоугольной формы, светофильтром, фокусирующей линзой и защитным окном, а также излучающий канал с полупроводниковым излучателем, комбинированным оптическим элементом и защитным окном. Излучатель включает решетку лазерных диодов, ось тела свечения которой, параллельная плоскостям р-n-переходов лазерных диодов, лежит в одной плоскости с осью боеприпаса. Поверхность комбинированного оптического элемента, ближняя к полупроводниковому излучателю, выполнена плоской, а дальняя поверхность является поверхностью вращения образующей Z, заданной уравнением: Z=r+aY²[b/(1+(1+cY²)^1/2)-1], вокруг оси Y, которая перпендикулярна плоскостям p-n-переходов лазерных диодов. Параметры уравнения выбираются так, чтобы оптический элемент обеспечивал коллимирование излучения в плоскости, параллельной плоскостям p-n-переходов лазерных диодов, а в ортогональной плоскости обеспечивалось формирование равномерной диаграммы направленности излучения излучающего канала с заданной угловой шириной. Технический результат заключается в упрощении конструкции датчика. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области вооружений и может быть применено в неконтактных взрывателях, использующих лазерное излучение для обнаружения цели, например, в зенитных боеприпасах и управляемых ракетах.

Известен оптический блок неконтактного взрывателя боеприпаса (патент РФ № 2546219, МПК. F42C 13/02, опубл. 10.04.2015 г.), содержащий источник оптического излучения, коллимирующую линзу, фокусирующую линзу и фотоприемник, отличающийся тем, что за коллимирующей линзой установлена цилиндрическая линза, а фоточувствительный элемент фотоприемника выполнен в виде матрицы из М≥1 независимых рядов по N≥1 независимых фоточувствительных элементов в каждом ряду, имеющих индивидуальные выходы, при этом длина матрицы из N элементов, расположенной вдоль экваториальной плоскости боеприпаса, соизмерима с фокусным расстоянием фокусирующей линзы.

Недостатками этого устройства является сложность его настройки и большие ошибки в измерении дальности до цели, поскольку для определения расстояния до цели требуется обеспечить пересечение луча зондирующего излучения и приемной диаграммы фотоприемного устройства точно под заданным углом. Отметим, что при малых (несколько сантиметров) расстояниях на боеприпасе между осями диаграммы излучения и приемной диаграммы, даже небольшие (около 1°) изменения угла между ними приводят к ошибке по измерению дальности до цели до 100%. Кроме этого, при использовании в качестве источника излучения полупроводникового лазерного диода (как указано в описании изготовленного макета), диаграмма зондирующего излучения при ее формировании с помощью коллимирующей и цилиндрической линз будет иметь сильную неравномерность – вплоть до 50% падения к краям диаграммы, что приводит к снижению вероятности обнаружения малоразмерных целей.

Известен неконтактный датчик цели боеприпаса (патент РФ №2781592, МПК F42C 13/02, опубл. 14.10.2022г.), 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, параметры которой 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%.

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

Недостатками неконтактного датчика цели боеприпаса является сложность дальномерного электронного блока, поскольку необходимо формирование импульсов тока одновременно в двух лазерных диодах в одном излучательном канале, а также сложность конструкции излучательного канала, поскольку для формирования равномерной диаграммы излучения необходима установка двух лазерных диодов точно под заданными углами. Комбинированный оптический элемент имеет две поверхности сложной формы, что также повышает сложность изготовления. Кроме того, в устройстве использованы импортные лазерные диоды (их российские аналоги с такими же параметрами и габаритами отсутствуют), что затрудняет комплектацию устройства.

Задачей изобретения является упрощение устройства посредством снижения сложности дальномерного электронного блока и конструкции излучающего канала, а также снижения сложности комбинированного оптического элемента. Кроме того, задачей изобретения является простое обеспечение комплектации.

Технический результат, достигаемый изобретением:

- упрощение устройства посредством снижения сложности дальномерного электронного блока за счет использования в излучающем канале только одного более мощного полупроводникового излучателя;

- упрощение конструкции излучающего канала посредством исключения необходимости установки двух лазерных диодов точно под заданными углами также за счет использования только одного более мощного полупроводникового излучателя;

- упрощение конструкции излучающего канала за счет разработки упрощенного комбинированного оптического элемента, в котором только одна поверхность имеет сложную форму;

Сущность изобретения состоит в следующем.

Лазерный неконтактный датчик цели боеприпаса, содержащий несколько оптических блоков, каждый оптический блок содержит приемный канал с фотоприемником с чувствительным элементом прямоугольной формы, светофильтром, фокусирующей линзой и защитным окном, а также излучающий канал с полупроводниковым излучателем, комбинированным оптическим элементом и защитным окном, причем оси приемного и излучающего каналов параллельны и находятся в одной плоскости с осью боеприпаса, дальномерный электронный блок с парами входов и выходов, количество которых равно числу оптических блоков, выход каждой пары входов и выходов соединен с полупроводниковым излучателем излучающего канала, а вход с фотоприемником приемного канала, выполнен так, что полупроводниковый излучатель содержит решетку лазерных диодов, ось тела свечения которой, параллельная плоскостям р-n-переходов лазерных диодов лежит в одной плоскости с осью боеприпаса, поверхность комбинированного оптического элемента, ближняя к полупроводниковому излучателю выполнена плоской, а дальняя поверхность является поверхностью вращения образующей Z, заданной уравнением

Z=r+aY²[b/(1+(1+cY²)^½)-1], (1)

вокруг оси Y, которая перпендикулярна плоскостям p-n-переходов лазерных диодов и оси излучения полупроводникового излучателя, причем поверхность вращения расположена симметрично относительно этой оси, толщина комбинированного оптического элемента, расстояние от плоской поверхности до оси Y, параметр r и расстояние до тела свечения выбираются так, чтобы комбинированный оптический элемент обеспечивал коллимирование излучения в плоскости, параллельной плоскостям p-n-переходов лазерных диодов, а параметры а, b, c выбираются так, чтобы в ортогональной плоскости обеспечивалось формирование равномерной диаграммы направленности излучения излучающего канала с заданной угловой шириной.

Изобретательский уровень предлагаемого лазерного неконтактного датчика цели боеприпаса подтверждается тем, что он обеспечивает, по сравнению с известными аналогами упрощение устройства посредством снижения сложности дальномерного электронного блока, поскольку требуется формирование коротких импульсов тока в излучающем канале только в одном полупроводниковом излучателе и упрощение конструкции излучающего канала посредством исключения необходимости установки двух лазерных диодов точно под заданными углами также за счет использования в излучающем канале только одного более мощного полупроводникового излучателя. Снижение сложности конструкции также обеспечивается за счет разработки упрощенного комбинированного оптического элемента, в котором только одна поверхность имеет сложную форму.

Краткое описание чертежей.

На фигуре 1 показано взаимное расположение элементов одного оптического блока лазерного неконтактного датчика цели боеприпаса и ход лучей в приемном и излучающем каналах оптического блока. Защитные окна не показаны.

Осуществление изобретения.

Лазерный неконтактный датчик цели боеприпаса, содержит несколько оптических блоков. Каждый оптический блок содержит приемный канал с фокусирующей линзой 1, светофильтром 2 и фотоприемником 3 с чувствительным элементом 4 прямоугольной формы. Фотоприемник 3 соединен кабелем 5 со входом одной из пар вход-выход дальномерного электронного блока. В - ось чувствительного элемента 4 параллельная его длинной стороне, К - ось чувствительного элемента 4 параллельная его меньшей стороне, R-R1 - ось приемного канала. Угловая ширина диаграммы чувствительности приемного канала в плоскости, проходящей через оси В и R-R1 составляет G1 градусов, а в плоскости, проходящей через оси К и R-R1 составляет G2 градусов. Излучающий канал содержит полупроводниковый излучатель 6 с телом свечения 7 в виде решетки лазерных диодов и комбинированный оптический элемент 8 с поверхностью вращения 9 образующей Z, заданной уравнением (1) вокруг оси Y, и площадками 10 для крепления элемента 8 на оптическом блоке. Ось Х тела свечения 7 в виде решетки лазерных диодов параллельна плоскостям p-n-переходов лазерных диодов, а ось D перпендикулярна плоскостям p-n-переходов лазерных диодов. Полупроводниковый излучатель 6 с телом свечения 7 в виде решетки лазерных диодов соединен кабелем 11 с выходом той же пары вход-выход электронного блока. Фокальная плоскость комбинированного оптического элемента 8 совпадает с телом свечения 7 в виде решетки лазерных диодов, поэтому поверхность 9 в плоскости, проходящей через ось Х и ось излучения E-L выполняет функции коллимирующей линзы. При этом параметры a, b, c образующей поверхности 9 выбраны так, что в плоскости, проходящей через ось D тела свечения 7 в виде решетки лазерных диодов и ось излучения E-L обеспечивается формирование равномерной диаграммы направленности излучения заданной угловой ширины Q1.

Ось излучающего канала E-L направлена вперед и вбок под углом β к оси боеприпаса E-E1. Ось приемного канала R-R1 параллельна (или почти параллельна) оси излучающего канала E-L. Комбинированный оптический элемент 8 расположен симметрично относительно оси излучающего канала E-L и плоскости, проходящей через ось боеприпаса E-E1 и ось излучающего канала E-L.

Угловая ширина G1 приемной диаграммы чувствительности оптического блока превышает угловую ширину Q1 диаграммы направленности излучения оптического блока на величину от 5 до 10%, а в ортогональном направлении угловая ширина G2 превышает угловую ширину Q2 на величину от 30 до 50%.

Лазерный неконтактный датчик цели боеприпаса работает следующим образом. По сигналу с выхода дальномерного электронного блока полупроводниковый излучатель 6 излучает импульс лазерного излучения. При этом дальномерный электронный блок с момента генерации импульса излучения в каждой паре вход и выход начинает отсчет времени. Излучение полупроводникового излучателя 6 падает на комбинированный оптический элемент 8, который формирует диаграмму направленности излучения излучающего канала. Дальняя от полупроводникового излучателя 6 поверхностью 9 комбинированного оптического элемента 8 коллимирует излучение в плоскости, параллельной ось Х и уменьшает расходимость излучения полупроводникового излучателя 6 до требуемой величины Q2. В ортогональном направлении, в плоскости, параллельной оси D излучение полупроводникового излучателя формируется в равномерную диаграмму направленности излучения излучающего канала с требуемой угловой шириной Q1 поверхностью 9. После прохождения защитного окна излучение выходит из боеприпаса, и при наличии цели в диаграмме направленности излучения оптического блока отражается от нее. Отраженное от цели излучение через защитное окно приемного канала попадает на фокусирующую линзу 1, проходит светофильтр 2, который пропускает излучение на длине волны лазерного диода и отсекает фоновое излучение и попадает на фотоприемник 3 с чувствительным элементом 4 прямоугольной формы. Чувствительный элемент 4 находится в фокальной плоскости фокусирующей линзы 1. Далее сигнал с фотоприемника 3 по кабелю 5 попадает на вход дальномерного электронного блока, где в каждой паре входов и выходов регистрируется время задержки между излученным и принятым импульсами излучения. По величине времени задержки определяется расстояние до цели и передается по каналу связи в блок управления боеприпаса, где принимается решение на срабатывание боеприпаса. При отсутствии цели в диаграмме направленности излучения оптического блока регистрация времени задержки ведется до определенного значения, при превышении которого в блок управления боеприпаса выдается сигнал отсутствия цели. Длина чувствительного элемента 4 в направлении оси В и величина фокусного расстояния линзы 1 выбрана так, что угловая ширина G1 приемной диаграммы чувствительности приемного канала превышает угловую ширину Q1 диаграммы направленности излучения передающего канала на величину от 5 до 10%. Такое соотношение выбрано для того, чтобы даже при неточной союстировке осей приемного и излучающего каналов (поскольку в дальномерных приборах их оси юстируются параллельно, или почти параллельно), диаграмма направленности излучения всегда находилась внутри приемной диаграммы чувствительности. Это исключает потери лазерного излучения. Если превышение угловой ширины G1 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 дальномерном электронном блоке при измерении времени задержки и уменьшает дальность регистрации малоразмерной цели. Если превышение угловой ширины G1 приемной диаграммы чувствительности менее 5%, то возрастают требования к точности союстировки осей каналов, что приводит к усложнению союстировки. Ширина чувствительного элемента 4 в направлении оси К определяет угловую ширину приемной диаграммы чувствительности G2 в этом направлении. Величина G2, как правило, не превышает 2°…5° и выбирается так, чтобы диаграмма направленности излучения оптического блока в плоскости, проходящей через ось Х также всегда находилась внутри приемной диаграммы чувствительности. В этой плоскости угловая ширина G2 меньше угловой ширины G1 примерно от 5 до 20 раз. Поэтому требование превышения угловой ширины G2 приемной диаграммы чувствительности на величину от 30% до 50% от угловой ширины Q2 диаграммы направленности излучения излучающего канала, приводит примерно к тем же требованиям по точности параллельной союстировки осей в направлении осей К и Х, что и в ортогональной плоскости в направлении осей В и D. Если превышение угловой ширины составляет менее 30%, то в этой плоскости существенно возрастают требования к точности союстировки параллельности осей, что усложняет сборку приемо-передающего блока. Если превышение угловой ширины составляет более 50%, то происходит существенное увеличение фоновой засветки фотоприемника, что приводит к уменьшению дальности обнаружения цели.

Количество оптических блоков в лазерном неконтактном датчике цели боеприпаса выбирается исходя из характеристик (калибра, дальности обнаружения цели, скорости и т.д.) боеприпаса. Размеры защитных окон, расстояние между осями передающего и приемного каналов и величина угла β также выбираются исходя из характеристик боеприпаса. Для обеспечения сплошной 360⁰ зоны обнаружения цели вокруг оси боеприпаса, лазерный неконтактный датчик цели боеприпаса должен содержать такое количество оптических блоков, показанных на фигуре 1, чтобы их диаграммы направленности излучения составляли сплошную поверхность вокруг оси боеприпаса.

Для реализации сплошной 360⁰ зоны обнаружения цели при β=55° и при использовании лазерного диода ИЛПИ-135А с размером тела свечения 360х500мкм, ширинах угловых диаграмм Q1=51° и Q2=3⁰ величины параметров комбинированного оптического элемента (при измерении координат по Z и Y в «мм») при изготовлении из поликарбоната (показатель преломления 1,57 для длины волны излучения 840 нм) составляют:

a=(0,12±10%)мм^-1; b=5,2±5%; c=(0,7±10%)мм^-2; r=(4±5%)мм. Расстояние от тела свечения до плоской поверхности комбинированного оптического элемента (3±0,3)мм, расстояние от оси вращения Y до плоской поверхности комбинированного оптического элемента 1 мм, толщина комбинированного оптического элемента по центру 5 мм.

Для других величин показателей преломления и углов β, Q1, Q2 параметры a, b, c и r выбираются так, чтобы при прохождении излучения полупроводникового излучателя через поверхность вращения кривой, заданной уравнением Z=r+aY²[b/(1+(1+cY²)^½)-1], обеспечивалось коллимирование излучения в плоскости, параллельной плоскостям р-n-переходов решетки лазерных диодов полупроводникового излучателя и формирование равномерной диаграммы направленности излучения заданной угловой ширины в плоскости, перпендикулярной плоскостям р-n-переходов лазерных диодов.

Авторами разработан и изготовлен макет лазерного неконтактного датчика цели боеприпаса, содержащего шесть оптических блоков. Изготовлен комбинированный оптический элемент из поликарбоната с параметрами a=0,12 мм^-1, b=5,2, c=0,7 мм^-2 и r=4,5 мм. Углы ß=55°, Q1=51°, Q2=3⁰. Использованы полупроводниковые излучатели ИЛПИ-135А с телом свечения в виде решетки лазерных диодов, производства АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», г. Москва. www.polyus.info. Расходимость излучения в плоскости, параллельной плоскостям p-n-переходов 10 градусов. Неравномерность угловой диаграммы направленности излучения оптического блока с угловой шириной 51° не превышала ±15%. Полупроводниковые излучатели работали в импульсно-периодическом режиме. Размер чувствительного элемента фотоприемника 9ммх0,7мм. Фокусное расстояние фокусирующей линзы 11мм. Расстояние между центрами защитных окон приемного и излучающего каналов составляло 30 мм. Макет лазерного неконтактного датчика цели боеприпаса после сборки сразу был работоспособен и не требовал настроек. Испытания, проведенные на макете, показали высокую вероятность обнаружения малоразмерной цели в широком диапазоне расстояний на фоне подстилающей поверхности при упрощении дальномерного электронного блока и конструкции излучающего канала при использовании полупроводникового излучателя российского производства.

Claims (1)

1. Лазерный неконтактный датчик цели боеприпаса, содержащий несколько оптических блоков, каждый оптический блок содержит приемный канал с фотоприемником с чувствительным элементом прямоугольной формы, светофильтром, фокусирующей линзой и защитным окном, а также излучающий канал с полупроводниковым излучателем, комбинированным оптическим элементом и защитным окном, причем оси приемного и излучающего каналов параллельны и находятся в одной плоскости с осью боеприпаса, дальномерный электронный блок с парами входов и выходов, количество которых равно числу оптических блоков, выход каждой пары входов и выходов соединен с полупроводниковым излучателем, а вход с фотоприемником, отличающийся тем, что полупроводниковый излучатель включает решетку лазерных диодов, ось тела свечения которой, параллельная плоскостям р-n-переходов лазерных диодов, лежит в одной плоскости с осью боеприпаса, поверхность комбинированного оптического элемента, ближняя к полупроводниковому излучателю, выполнена плоской, а дальняя поверхность является поверхностью вращения образующей Z, заданной уравнением: Z=r+aY²[b/(1+(1+cY²)^1/2)-1], вокруг оси Y, которая перпендикулярна плоскостям p-n-переходов лазерных диодов и оси излучения полупроводникового излучателя, причем поверхность вращения расположена симметрично относительно этой оси, толщина комбинированного оптического элемента, расстояние от него до тела свечения, расстояние от плоской поверхности до оси Y и параметр r выбираются так, чтобы комбинированный оптический элемент обеспечивал коллимирование излучения в плоскости, параллельной плоскостям p-n-переходов лазерных диодов, а параметры а, b, c выбираются так, чтобы в ортогональной плоскости обеспечивалось формирование равномерной диаграммы направленности излучения излучающего канала с заданной угловой шириной.