МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК С ОБЩЕЙ АПЕРТУРОЙ Российский патент 2004 года по МПК H01Q21/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к многоспектральным активно-пассивным системам обнаружения и распознавания объектов (целей) в условиях сложных естественных и преднамеренных помех и высокоточного сопровождения объектов по угловым координатам. Частью таких систем является многоспектральный датчик с общей (для всех используемых спектральных диапазонов) апертурой (МДОА).

Уровень техники

Известны несколько конструкций МДОА [1, 2, 3, 4]. Их главным свойством является то, что они, при наличии одной общей апертуры, приемопередатчика РЛС и нескольких фотоприемников, принимают и обрабатывают одновременно сигналы, поступающие от объекта наблюдения, соответствующие далеко отстоящим друг от друга спектральным диапазонам длин волн, например оптическому, ИК и СВЧ. В результате анализа полученного таким образом многоспектрального образа объекта удается заметно повысить вероятность его правильного обнаружения и распознавания в условиях сложных фонов и, следовательно, повысить эффективность соответствующих систем обнаружения, распознавания и сопровождения целей.

МДОА содержат в активном канале приемопередатчик, в пассивных каналах - многоэлементные фотоприемники соответствующих диапазонов. Основной трудностью создания МДОА является построение компактной общей для разных диапазонов апертуры, парциальные каналы которой по своим характеристикам не уступали бы апертурам, используемым в односпектральных вариантах. При этом имеются в виду не только эффективности парциальных апертур, но и возможность просмотра (прокачки) общей апертурой достаточно большого углового сектора в передней полусфере.

В работе [1] предложена первая известная двухспектральная конструкция МДОА, в которой общая апертура выполнена в виде объектива Кассегрена, где отраженные контррефлектором лучи ИК-диапазона и радиолучи собираются в одной фокусной плоскости, в которой установлены СВЧ-рупор и торцевой срез пучка из оптических волокон. Конструкция имеет большие продольные габариты, громоздка и малопригодна для осуществления прокачки в углах, соответствующих заметной части передней полусферы.

В работах [2, 3] рассматривается по существу одна конструкция двухспектральной МДОА, СВЧ- и ИК-диапазонов, содержащая приемопередатчик РЛС, общую апертуру в составе СВЧ параболической антенны и зеркального объектива Кассегрена, спектроделительную пластину и ИК-матрицу с устройством охлаждения. Однако данная конструкция полностью исключает возможность прокачки общего поля зрения в передней полусфере, поскольку СВЧ-приемник, объединенный с контррефлектором объектива, жестко, с помощью волновода, связан с СВЧ-передатчиком, который, в свою очередь, крепится к корпусу изделия-носителя.

В работе [4] описан МДОА, выбранный в качестве прототипа настоящего изобретения. МДОА содержит оптический зеркальный объектив типа Кассегрена с параболическим главным зеркалом и гиперболическим контррефлектором и планарную СВЧ-антенну. Главное зеркало своей выпуклой стороной опирается на вогнутую сторону радиопрозрачной подложки, на второй плоской стороне которой устанавливается планарная СВЧ-антенна, излучающая в сторону зеркального объектива. Объектив Кассегрена полностью прозрачен для СВЧ-радиоизлучения, что достигается применением соответствующих материалов зеркал и комбинации сложных пленочных диэлектрических и металлических покрытий. Конструктивно и технологически описываемый МДОА весьма сложен, но главный недостаток заключается в том, что осевая длина общей апертуры слишком велика, что существенно ограничивает угловой сектор прокачки этой апертурой в передней полусфере.

Общим недостатком описанных выше конструкций, включая прототип, является, кроме указанных ранее, использование в них объектива типа Кассегрена с присущим ему затенением главного зеркала контррефлектором, а также объединение в общей апертуре только двух спектральных диапазонов, что не в полной мере позволяет реализовать преимущества многоспектрального подхода к обнаружению и распознаванию объектов.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание конструкции МДОА, работающего в СВЧ, оптическом и ИК-диапазонах, использующего планарную моноимпульсную СВЧ-антенну в том виде и с такими возможностями, с какими она используется в односпектральном СВЧ-варианте; использующего двухспектральную собирающую оптику, не затеняющую СВЧ-апертуру, и широкоформатные матричные фотоприемники оптического и ИК-диапазонов с микроохладителем; обладающей возможностью прокачки общей апертуры в углах, свойственных односпектральному СВЧ-варианту.

Предлагается конструкция МДОА СВЧ, оптического и ИК-диапазонов частот, содержащая приемопередатчик РЛС, планарную СВЧ моноимпульсную антенну, зеркальный кольцевой объектив, спектроделительный элемент и двухспектральный матричный фотоприемник с устройством охлаждения, в котором общая апертура выполнена в виде единого блока в составе упомянутой СВЧ-антенны и зеркального кольцевого объектива. Последний выполнен в виде двух узких в осевом направлении концентрических кольцевых зеркал, образованных отсечением периферийных частей параболического и гиперболического зеркал короткофокусного объектива Кассегрена. Зеркальный кольцевой объектив и матричный фотоприемник, содержащий матрицу ИК-диапазона с охлаждающим устройством, матрицу оптического диапазона и спектроделительный элемент, установлены со стороны планарной, например, щелевой антенны, противоположной ее излучающей стороне, и жестко соединены с ней. При этом оси зеркального кольцевого объектива и фотоприемника совмещены с осью планарной антенны, плоскость раскрыва параболического кольцевого зеркала перпендикулярна оси антенны. Наружный радиус d зеркального кольцевого объектива выбран таким образом, чтобы он превышал радиус R планарной антенны на заданную величину Δr, которая определяется из тактико-технических требований к МДОА. Центр матрицы ИК-диапазона совмещен с фокусом зеркального кольцевого объектива, который является фокусом второй ветви гиперболы, первая ветвь которой описывает профиль гиперболического кольцевого зеркала. Центр матрицы оптического диапазона размещен на общей оси антенны, зеркального кольцевого объектива и фотоприемника и совмещен с зеркальным изображением центра матрицы ИК-диапазона относительно размещенного между ними на равном расстоянии спектроделительного элемента. Плоскость последнего параллельна плоскостям обеих матриц и перпендикулярна к общей оси. Зеркальный кольцевой объектив и фотоприемник закреплены либо непосредственно на поверхности планарной антенны, противоположной ее излучающей стороне, либо на металлической пластине, которая, в свою очередь, установлена и жестко закреплена на указанной поверхности планарной антенны или на заданном расстоянии от нее. При этом планарная антенна со стороны, противоположной ее излучающей стороне, либо упомянутая выше металлическая пластина снабжены элементами для крепления кольцевых зеркал объектива, расположенными на расстоянии от оси, соответствующем радиусам кольцевых зеркал, и элементом для крепления фотоприемника, расположенным соосно с зеркальным кольцевым объективом. Причем элементы для крепления параболического кольцевого зеркала выполнены в виде нескольких выступов, расположенных равноудаленно от оси и равномерно по азимуту, а элемент для крепления гиперболического кольцевого зеркала объектива и фотоприемника выполнен в виде единого полого цилиндра, соосного с зеркальным кольцевым объективом и имеющего участки с разными наружными диаметрами. При этом упомянутая выше металлическая пластина в случае крепления ее к планарной антенне снабжена пазами или отверстиями для установки и крепления на планарной антенне коаксиально-волноводных или коаксиально-полосковых переходов, а при расположении металлической пластины на заданном в осевом направлении расстоянии от антенны, равном или превышающем высоту коаксиально-волноводных или коаксиально-полосковых переходов, пластина снабжена отверстиями для прохождения коаксиальных кабелей, соединяющих планарную антенну с приемопередатчиком РЛС. Приемопередатчик РЛС расположен со стороны планарной антенны, противоположной ее излучающей стороне. Планарная СВЧ-антенна с зеркальным кольцевым объективом и фотоприемником выполнена с возможностью вращения (прокачки) в заданном угловом секторе передней полусферы вокруг центра, совмещенного с фокусом параболического кольцевого зеркала. Планарная СВЧ-антенна с зеркальным кольцевым объективом и фотоприемником соединена с устройством, которое обеспечивает ее вращение вокруг фокуса параболического кольцевого зеркала в заданном угловом секторе передней полусферы.

Расположенный в фотоприемнике спектроделительный элемент, прозрачный для излучения ИК-диапазона и зеркально отражающий в заданном участке оптического диапазона, выполнен в виде тонкой полупроводниковой пластины, на обеих сторонах которой нанесены соответствующие просветляющие многослойные диэлектрические пленки.

Исходя из тактико-технических требований к спектральным диапазонам частот и дальности обнаружения определенного класса целей, определяются диаметр 2R планарной СВЧ-антенны и заданный диаметр 2r круга, площадь которого равна приемной фронтальной площади параболического кольцевого зеркала с радиальной шириной Δr. Наружный радиус d зеркального кольцевого объектива, радиальная ширина Δr параболического кольцевого зеркала, фокусное расстояние F параболического кольцевого зеркала, толщина Δh зеркального кольцевого объектива в осевом направлении и угол раскрыва 2Ψ₀ параболического кольцевого зеркала с вершиной в фокусе этого зеркала определяются из следующих соотношений:

d=(R²+r²)^1/2, Δr=d-R, F=0.5(d²-0.5r²)^1/2, Δh=r²/4F,

2Ψ₀=2(180-arctg{(d/F)/[(d/2F)²-1]})°,

где 2r - заданный диаметр круга, площадь которого равна приемной фронтальной площади параболического кольцевого зеркала с радиальной шириной Δr.

При соблюдении оговоренных выше условий параболическое кольцевое зеркало отражает оптические и ИК-лучи, падающие на апертуру в периферийной ее части и параллельно ее оси, в сторону оси, под прямым углом к падающим лучам, направляя их на гиперболическое кольцевое зеркало. При этом лучи частично фокусируются благодаря параболическому кольцевому зеркалу. Гиперболическое кольцевое зеркало отражает эти лучи, фокусируя их в центр матрицы ИК-диапазона, совмещенный с фокусом зеркального кольцевого объектива. При этом осевая “толщина” светового потока на пути от параболического кольцевого зеркала к гиперболическому кольцевому зеркалу чрезвычайно мала, что открывает возможность объединения зеркального кольцевого объектива с планарной антенной произвольных размеров, не препятствуя прокачке и практически не влияя на положение приемопередатчика РЛС относительно антенны. В самом деле, величины Δh и Δr составляют единицы миллиметров при значениях R и r, равных, например, 100 и 30 мм соответственно. Кроме этого, полная осевая длина блока общей апертуры согласно изобретению во много раз (до 10 раз) меньше осевых размеров всех известных МДОА, включая прототип.

Перечень чертежей

Фиг.1 изображает осевое сечение известного зеркального объектива Кассегрена, из которого рассечением его по линии АВ образуется зеркальный кольцевой объектив согласно изобретению, а также ход оптических лучей.

Фиг.2 схематически изображает один из вариантов предложенной в изобретении конструкции МДОА.

Фиг.3 изображает графики зависимости размеров Δh (пунктирные линии) и Δr (сплошные линии) зеркального кольцевого объектива согласно изобретению от заданного диаметра 2r круга, площадь которого равна приемной фронтальной площади параболического кольцевого зеркала с радиальной шириной Δr при различных значениях диаметра планарной СВЧ-антенны 2R.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 показано осевое сечение известного объектива Кассегрена с главным зеркалом в виде усеченного параболоида и контррефлектором в виде усеченного гиперболоида, а также ход нескольких оптических лучей, символизирующих плоскую волну, падающую фронтально на объектив. Штрихами выделена та часть 1 лучей, которая отражается периферийной частью 2 шириной Δh параболоида под прямым углом к направлению падения, фокусируется и направляется далее периферийной частью 3 шириной Δh гиперболоида в сторону фокуса F¹ и фокусируется в этой точке. Условием такого хода лучей является размещение фокуса F усеченного параболоида посредине отрезка Δh, являющегося осевой толщиной периферийной части объектива. Точки F и F¹ являются фокусами соответственно первой 4 и второй 5 ветвей гиперболы, причем первая ветвь гиперболы описывает профиль контррефлектора. При отсечении по линии AВ указанной периферийной части объектива Кассегрена с указанным выше расположением фокуса F образуется узкий в осевом направлении зеркальный кольцевой объектив 6 в виде двух концентрических кольцевых зеркал 2 и 3, который предлагается использовать в настоящем изобретении.

Фиг.2 схематически иллюстрирует устройство МДОА, где фиг.2(а) представляет вид устройства в плане, а фиг.2(б) - вид сечения А-А по линии разреза aobcd, а также упрощенную схему РЛС с блоком обработки многоспектрального эхо-сигнала. Планарная СВЧ-моноимпульсная антенна 7 в том виде, в котором она используется в односпектральном СВЧ-варианте, не подвергаясь каким-либо существенным конструктивным изменениям, объединяется с зеркальным кольцевым объективом 6, образуя единый антенный блок, или общую апертуру. Зеркальный кольцевой объектив образуется путем отсечения от известного объектива Кассегрена (помеченного пунктиром) его периферийной части и состоит из параболического кольцевого зеркала 2 и соосного с ним гиперболического кольцевого зеркала 3. Кольцевые зеркала 2 и 3, без изменения их взаимного расположения, устанавливаются либо непосредственно на поверхности планарной антенны, противоположной ее излучающей стороне (не показано), либо на прикрепленной к этой поверхности металлической пластине 8, снабженной соответствующими элементами крепления 9 и 10, либо на металлической пластине, установленной и укрепленной на заданном расстоянии от СВЧ-антенны (не показано). Зеркальный кольцевой объектив устанавливают так, что его ось совмещена с осью СВЧ-антенны, плоскость раскрыва параболического кольцевого зеркала перпендикулярна оси, а само параболическое кольцо выступало из-за антенны на свою радиальную ширину Δr, образуя необходимую светоприемную площадь. Соосно с зеркальным кольцевым объективом, по его центру, установлен фотоприемник 11, содержащий спектроделительную пластину 12, матрицу ИК-диапазона 13 с устройством охлаждения 14 и матрицу оптического диапазона 15, причем центр матрицы ИК диапазона совмещен с фокусом F¹, а центр матрицы оптического диапазона размещен на общей оси СВЧ-антенны и зеркального кольцевого объектива в точке, являющейся зеркальным изображением фокуса F¹ относительно пластины 12, равноудаленной от обеих матриц.

На неизлучающей стороне моноимпульсной СВЧ-антенны имеются три СВЧ-выхода, которые с помощью коаксиально-волноводных 16 или коаксиально-полосковых (не показаны) переходов и коаксиальных кабелей 17, 18 и 19 соединены с приемопередатчиком. При креплении зеркального кольцевого объектива и фотоприемника на пластине 5 в последней предусмотрены пазы или отверстия для установки и крепления к антенне упомянутых переходов и прохождения коаксиальных кабелей.

Общая апертура МДОА работает следующим образом. Планарная СВЧ-антенна своей рабочей стороной, снабженной излучателями волноводно-щелевого или пластинчатого типа, излучает в пространство зондирующие импульсы и принимает эхо-сигналы, причем ее диаграмма направленности практически не отличается от таковой у отдельно взятой антенны, т.е. при отсутствии зеркального кольцевого объектива. Это связано с тем, что радиальная ширина Δr параболического кольцевого зеркала, опоясывающего СВЧ-антенну, чрезвычайно мала по сравнению с диаметром антенны и сдвинута в сторону неизлучающей поверхности антенны на ширину антенны. Оптические и ИК-лучи 1 (фиг.1), падающие параллельно оси антенны на параболическое кольцевое зеркало, отражаются этим зеркалом под прямым углом в сторону оси, попадают на гиперболическое кольцевое зеркало, которое направляет сходящийся пучок в фокус F¹, т.е. в центр матрицы ИК-диапазона. В фотоприемнике на пути сходящегося пучка установлена спектроделительная плоскопараллельная пластина, прозрачная для ИК-лучей и зеркально отражающая в выбранном участке оптического диапазона, причем пластина параллельна плоским матрицам и перпендикулярна общей оси; отраженные пластиной оптические лучи сходятся в центре матрицы оптического диапазона..

На фиг.3 показана зависимость величин Δh и Δr от 2r при различных значениях 2R, из которой, например, следует, что при диаметре СВЧ-антенны, равном 200 мм, радиальная ширина параболического кольцевого зеркала Δr равна 4.25 мм, а приемная фронтальная площадь параболического кольцевого зеркала равна площади круга диаметром 60 мм.

Таким образом, в изобретении предлагается многоспектральный датчик с общей апертурой, достоинством которого является компактность общей апертуры в продольном направлении и возможность прокачки в пространстве передней полусферы в большом угловом секторе; по компактности, по электрическим параметрам СВЧ-антенны и по параметрам прокачки общая апертура МДОА практически не уступает СВЧ-антенне в односпектральном СВЧ-варианте. Большим достоинством предлагаемого МДОА является использование в нем трех спектральных диапозонов в отличие от известных конструкций МДОА, включая прототип, в которых используется только два спектральных диапазона.

Источники информации

1. Jay В. Winderman, Fernand В. Kuffer. Multi-spectral detection system with common collecting means. U.S. Patent 4282527 Aug.4, 1981.

2. Arthur С. Levitan. MM - Wave and Infrared. A Hybrid for All-Weather Weapons Delivery. Military Electronics/Countermeasures, February 1982.

3. E.Т.Benser, J. Allen Сох, Н.В. French. Infrared / millimeter wave common-aperture optics. Optical Engineering, January 1989, Vol. 28 No.1.

4. Fernand В. Kuffner, R.F. Transparent RF/UV-IR Detector Apparatus U.S. Patent 5327149, Jul.5, 1994.

Изобретение относится к многоспектральным активно-пассивным системам обнаружения и распознавания объектов в условиях помех и высокоточного сопровождения объектов по угловым координатам. Технический результат заключается в компактности общей апертуры и в объединении в этой апертуре СВЧ, оптического и ИК-диапазонов, а также в возможности прокачки общей апертуры в пространстве передней полусферы в большом угловом секторе. Сущность изобретения заключается в том, что общая апертура содержит планарную моноимпульсную СВЧ-антенну и расположенные на ее неизлучающей стороне зеркальный кольцевой объектив и двухспектральный матричный фотоприемник с спектроделительным элементом и устройством охлаждения. Зеркальный кольцевой объектив содержит концентрические параболическое и гиперболическое кольцевые зеркала. Зеркальный кольцевой объектив собирает падающие на апертуру периферийные лучи света и направляет их под прямым утлом в сторону оси антенны, где они фокусируются гиперболическим кольцевым зеркалом. 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Многоспектральный датчик с общей апертурой, содержащий приемопередатчик РЛС, планарную СВЧ моноимпульсную антенну, зеркальный кольцевой объектив кассегреновского типа, спектроделительный элемент и матричный фотоприемник с устройством охлаждения, отличающийся тем, что объектив выполнен короткофокусным в виде двух узких в осевом направлении концентрических кольцевых зеркал, образованных отсечением периферийных частей параболического и гиперболического зеркал, при этом объектив и фотоприемник, содержащий матрицу ИК-диапазона, матрицу оптического диапазона и спектроделительный элемент, установлены со стороны антенны, противоположной ее излучающей стороне, и жестко соединены с ней, оси объектива и фотоприемника совмещены с осью антенны, плоскость раскрыва параболического кольцевого зеркала перпендикулярна оси антенны, наружный радиус d объектива превышает радиус R антенны на заданную величину Δr, а центр матрицы ИК-диапазона совмещен с фокусом объектива, который является фокусом второй ветви гиперболы, первая ветвь которой описывает профиль гиперболического кольцевого зеркала, причем центр матрицы оптического диапазона расположен на общей оси антенны, объектива и фотоприемника и совмещен с точкой, являющейся зеркальным отражением центра матрицы ИК-диапазона относительно размещенного между ними на равном расстоянии спектроделительного элемента, плоскость которого параллельна плоскостям обеих матриц и перпендикулярна к общей оси, при этом наружный радиус d объектива, радиальная ширина Δr параболического кольцевого зеркала, фокусное расстояние F параболического кольцевого зеркала, толщина Δh объектива в осевом направлении и угол раскрыва 2Ψ₀ параболического кольцевого зеркала с вершиной в фокусе этого зеркала определяются из следующих соотношений:

d=(R²+r²)^1/2,

Δr=d-R,

F=0,5(d²-0,5r²)^1/2,

Δh=r²/4F,

2Ψ₀=2(180-arctg{(d/F)/[(d/2F)²-1]})°,

где 2r - заданный диаметр круга, площадь которого равна приемной фронтальной площади параболического кольцевого зеркала с радиальной шириной Δr.