КОМПЛЕКС АППАРАТУРЫ ДЛЯ ВОЗДУШНОГО НАБЛЮДЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК B64D47/08 G02B23/12 G02B13/14 H04N5/33 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области обнаружения низколетящих объектов с использованием для их регистрации инфракрасного излучения, испускаемого ими, с применением двух привязных аэростатов. На наземную станцию управления в реальном масштабе времени можно передавать информацию, получаемую с помощью датчиков, установленных на привязных аэростатах.

Известен глобальный радиотелескоп [1], образованный путем объединения наблюдений, совершаемых несколькими телескопами, и тем самым позволяющий имитировать телескоп, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными телескопами.

В основе его работы лежит явление интерференции: свойство волн любой природы усиливаться или ослабляться при их сложении в пространстве. Если два или несколько телескопов развести на большое расстояние и наблюдать за одним и тем же небесным объектом, то при сложении их сигналов возникает интерференция, резко увеличивая разрешающую способность всей системы. Она получается такая, как если бы мы имели телескоп с размерами, равными расстоянию, на которое разнесены одиночные маленькие телескопы.

Однако такие телескопы, как правило, являются крупными, громоздкими сооружениями. Они расположены обычно на поверхности Земли и у них нет способности «видеть» объекты, расположенные над поверхностью, за горизонтом.

Известен комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата [2]. Он содержит амортизаторы, электродвигатели, устройства гиростабилизации и платформу с установленной на ней тепловизионной камерой. Комплекс содержит также наземную станцию управления и средства связи для передачи команд управления.

Платформа, на которой расположена тепловизионная камера, выполнена с возможностью кругового вращения по азимуту вокруг вертикальной оси нижнего опорного элемента с помощью электрического мотора, управляемого электронным блоком управления, в котором размещены датчики скорости и ускорения для измерения движения. Верхний опорный элемент снабжен разборным фиксирующим замком, к которому снизу прикреплен поворотный узел крепления, жестко присоединенный к горизонтально расположенному верхнему диску. К нижней поверхности верхнего диска пристыкована верхняя вилка карданного шарнира, внутри которой на первой оси кардана размещено кольцо кардана.

Внутри кольца кардана на второй оси кардана, расположенной перпендикулярно первой оси кардана, помещена штанга кардана. Нижний конец штанги кардана присоединен к нижнему опорному элементу. К одному вертикальному элементу вилки кардана со стороны двух противоположных боковых поверхностей в нижней их части прикреплены верхние концы двух дополнительно установленных амортизаторов. Нижние концы амортизаторов присоединены к кронштейну амортизаторов, расположенному на нижнем опорном элементе таким образом, что в исходном положении амортизаторы расположены вертикально и параллельно друг другу.

В этом комплексе воздушного наблюдения реализована возможность одновременного наблюдения на наземной станции управления изображений от нескольких (например, четырех) привязных аэростатов, которые передаются по радиоканалам связи в реальном масштабе времени. При этом на одном дисплейном устройстве отображения информации наземной станции управления выводится цифровая карта местности в зоне воздушного наблюдения, а на втором отображается информация воздушного наблюдения в оптическом или в инфракрасном диапазоне от установленных на аэростате камер. Это позволяет осуществить точную привязку информации наблюдения к местности.

Этот комплекс воздушного наблюдения является наиболее близким к заявляемому и может быть выбран за прототип.

Недостатки прототипа

Однако такой комплекс не позволяет поднять полезную нагрузку с массой более 60-80 кг, поскольку плотность воздуха при нормальных условиях равна 1.3 кг/м³, то шар с объемом 60-80 м³ имеет грузоподъемность не более нескольких десятков килограмм. Учитывая, что в состав комплекса должны входить амортизаторы, электродвигатели, системы стабилизации, управления, передачи данных и оптическая камера видеонаблюдения, масса тепловизионной камеры не может превышать нескольких килограммов, то есть в качестве тепловизора нельзя использовать инфракрасный зеркально-линзовый телескоп с диаметром зеркала («тарелки») порядка одного метра.

Прототип имеет существенный недостаток, а именно низкую чувствительность обнаружения, что собственно связано с малым диаметром входной линзы тепловизионного объектива.

При обнаружении объектов, находящихся на большой дальности l_s, отношение площади собирающей излучение входной линзы S_in к площади сферы $$4\pi l_s^2$$ , геометрический фактор, пропорционален площади входной линзы. При увеличении диаметра входной линзы от 10 см до 1 м (зеркально-линзовый телескоп) чувствительность повысится в 100 раз.

Поднять на соответствующую высоту вместо тепловизионной камеры инфракрасный зеркально-линзовый телескоп не позволяет маленькая грузоподъемность привязного аэростата.

Техническая сущность данного изобретения состоит в увеличении чувствительности обнаружения низколетящих объектов.

Сущность данного изобретения заключается в том, что в комплексе аппаратуры для воздушного наблюдения, включающем размещение тепловизионной камеры на привязном аэростате с возможностью кругового вращения камеры вокруг вертикальной оси и изменения угла наклона камеры к вертикальной оси за счет размещения ее на горизонтальном валу, две тепловизионные камеры размещены на двух привязных аэростатах, камеры представляют собой инфракрасные зеркально-линзовые телескопы, имеющие мозаичные фотоприемные устройства, содержащие большое число пикселей, например 1024×1024, считываемые последовательно, например, с помощью ПЗС матрицы, а аэростаты заполнены водородом, получаемым непосредственно на месте, путем электролиза воды.

1. Дальность обнаружения

Дальность прямого видения l_s можно найти из теоремы Пифагора, если представить себе прямоугольный треугольник, у которого один катет равен R_E=6400 км - радиусу Земли, другой катет l_s, а гипотенуза равна R_E+h, где h - высота нахождения точки наблюдения над Землей. Тогда $${\text{l}}_{\text{s}}={{\text{[(R}}_{\text{E}}+{\text{h)}}^{\text{2}}{\text{-R}}_{\text{E}}^{\text{2}}\text{]}}^{\text{1/2}}$$ , и для h<<R_E получим: l_s=(2R_E·h)^1/2.

Чтобы было понятно, о каких расстояниях идет речь, надо подставить цифры. Так, для h=2 км, дальность прямого «видения» получается равной: l_s=160 км, что представляет интерес для ряда приложений. По известному расстоянию между телескопами стороне треугольника и двум прилегающим к ней углам, определяемым из направления на объект, восстанавливают вершину треугольника - текущую координату объекта, скорость движения объекта определяют по скорости изменения его координаты.

Поднять элементы пассивного радиолокатора на эту высоту можно на привязном аэростате, воздушном шаре.

2. Выбор параметров воздушного шара

Будем считать, что масса полезной нагрузки, которую надо поднять на высоту h=2 км, составляет 1 тонну. Согласно барометрической формуле плотность воздуха падает с высотой по экспоненциальному закону ρ=ρ₀exp[-h/H₀], где h - высота подъема, H₀=7 км, ρ₀=1.3 кг/м³ - плотность воздуха у поверхности Земли. Для высоты h=2 км плотность воздуха равна ρ=1 кг/м³. Видно, что для того, чтобы поднять массу в 1 тонну на эту высоту потребуется пустотелый шар с объемом порядка 10³ м³, и, учитывая, что объем шара равен: $$V_{b1}=\pi d_{b1}^3/6$$ , найдем, что диаметр шара d_b1 должен быть порядка: d_b1=13 м.

Плотность водорода, заполняющего шар, в 14 раз меньше плотности воздуха, так что этот диаметр d_b1=13 м надо будет немного увеличить.

Будем считать, что оболочка шара состоит из майлара толщиной 25 микрон. Плотность майлара равна 1.2 г/см³, объем 1 квадратного майлара равен: S_m=25 см³, масса одного квадратного метра майлара равна: m_m=30 г.

Примем диаметр шара равным: d_b=20 м, тогда его объем равен: $$V_b\pi d_b^3/6=4186$$ м³. При плотности воздуха на высоте h=2 км, равной: ρ=1 кг/м³ грузоподъемность пустотелого шара будет равна: p*V_b≈4.2 тонны. С учетом того, что шар не пустотелый, а заполнен водородом, его грузоподъемность на высоте h=2 км составит 3.9 тонны, так что требуемая для заполнения шара масса водорода равна: m_h2=300 кг. Площадь оболочки шара $$\pi d_b^2=1256$$ м², ее масса m_sb=40 кг. Масса стального каната с поперечным сечением S_c=1 см², длиной h=2 км составляет m_c=1.6 тонны.

Дальше надо решить вопрос о том, как удерживать шар на заданной высоте. При диаметре шара d_b=20 м, шар будет «рваться» вверх. Прочность на разрыв стального каната составляет, [3] стр.55, σ_st=340 кг/мм², у капрона эта величина составляет σ_ct=50 кг/мм², но и удельный вес капрона примерно в 6 раз меньше, чем у стали.

Итак, аэростатическая сила, действующая на торос, направлена вверх и равна 3.9 тонны. Вниз действуют сила тяжести полезной нагрузки 1 тонна и вес троса 1.6 тонны. Получается равнодействующая сила, направленная вверх и равная 1.3 тонны. Прочность троса на разрыв равна 34 тонны, так что допустимы порывы ветра до 40 м/с, направленные снизу вверх.

Действительно, давление, осуществляемое порывами ветра, равно: $$P_w=C_x\rho V_w^2/2$$ . Считая, что для нашего диапазона чисел Рейнольдса Re≈10⁷ и значений скорости ветра V_w≈40 м/с, коэффициент аэродинамического сопротивления шара C_x≈0.5, найдем, что для скорости ветра V_w=40 м/с давление составит: P_w=10³ Н/м², и для поперечного сечения шара $$S_{cb}=\pi d_b^2/4=314$$ м², где мы взяли d_b=20 м - диаметр шара. Тогда ветровая нагрузка приведет к дополнительному натяжению каната с силой F_w=P_w·S_{c b}=31.4 тонны, если ветер будет направлен снизу вверх.

Пусть диаметр бобины, на которую намотан трос, равен: d_b=3 м. Тогда периметр окружности, длина одного витка намотанного на бобину троса, составит: Р=10 м, и, при намотке троса в один слой (200 витков) высота бобины будет равна: h_b=2 м.

3. Получение водорода

Рассмотрим получение водорода при электролизе воды. Как известно, один грамм·моль газов при нормальных условиях (не будем учитывать то, что плотность газов на высоте h=2 км составляет величину, на 30% меньшую, чем при нормальных условиях) занимает объем 22.4 литра. Один грамм·моль содержит 6·10²³ молекул, объем в 4.4·10³ м³ будут занимать 10²⁹ молекул, то есть примерно 2·10⁵ грамм·молей. Масса одного грамм·моля водорода равна: m_m=2 г, масса водорода внутри шара, таким образом, будет равна m_h2=2·2·10⁵ г=400 кг. Эта цифра на 30% завышена, реально потребуется m_h2=300 кг.

Масса молекулы воды в 9 раз больше массы молекулы водорода, так что для получения такого количества водорода, m_h2=300 кг, потребуется разложить на кислород и водород 2.7 тонны воды.

Из первого закона Фарадея следует, что масса вещества, выделяемого на электроде, пропорциональна проходящему через электролит току и времени протекания тока через электролит: m=k·J·τ. Поскольку молекула водорода двухатомная, то при протекании тока в J=2 А за время τ=1 с на катоде выделится 6·10¹⁸ молекул водорода, что по заряду атомов как раз составляет 1 кулон.

Чтобы получить 10²⁹ молекул потребуется выделение суммарного заряда в 2·10¹⁰ раз большего, чего можно достичь, например, пропусканием тока в J=600 кA в течение времени τ=20 часов.

4. Излучение электромагнитных волн объектом

Согласно формуле Планка тело, нагретое до 800°K (~500°C), имеет максимум излучения на длинах волн 3-4 микрона, что как раз попадает в полосу прозрачности атмосферы. Спектральная плотность излучения показана на графике [4], стр. 3, и она равна: 0.1 Вт/(см²·ster·мк).

Собственно, окно прозрачности занимает область от 3.5 до 4 мк, для зеркального инфракрасного телескопа с диаметром зеркала, равным d_m=0.7 м, площадь зеркала равна S_m=0.3 м², геометрический фактор (телесный угол) $$S_m/4\pi l_s^2$$ в этом случае равен 10^-12, и для площади излучения отработанных горячих газов, равной S_t=2 м², получим значение принимаемой мощности, равное:

Р=0.1·2·10⁴·0.5·10^-12=10²·10^-11 Вт.

Здесь мы специально выделили множитель 10^-11, потому что как раз такого порядка пороговая чувствительность D^* инфракрасных InSb детекторов фирмы Hamamatsu, работающих при азотной температуре [4], стр.9.

Это означает, что сигнал с детектора, например 1024×1024 пикселей, с общей площадью в 1 см², в полосе частот Δf=1 Гц, будет превосходить шум на 2 порядка и уверенно детектироваться.

5. Структура инфракрасных телескопов

Пусть диаметр зеркала равен: d_m=0.7 м, а радиус сферы, по которой изогнута «тарелка» зеркала, пусть будет равен: r_m=2 м. Тогда, фокусное расстояние объектива равно: f_m=r_m/2=1 м. Для фокусного расстояния окуляра 100 мм увеличение такого телескопа составит 10 крат. Таких телескопов должно быть два, чтобы иметь возможность определять расстояние до цели и видеть ее стереоскопически.

Известно, что из-за волновых свойств света, световую волну нельзя сфокусировать в пятно, диаметр которого меньше длины волны. В нашем случае длина волны равна λ₁≈4 мк, соответственно, такого же размера должен быть и пиксель мозаичного фотоприемного устройства матрицы. С учетом размеров пространства между пикселями и других вспомогательных подводов общий размер матрицы 1024×1024 может оказаться достаточно большим, порядка 6×6 см. Для такой матрицы нормальным будет объектив с фокусным расстоянием порядка диагонали размера матрицы, то есть с f₀=100 мм.

Угол зрения нормального объектива лежит в пределах 40-50°, соответственно, при 10-кратном увеличении угол зрения телескопа будет в 10 раз меньше. Изменением фокусного расстояния окуляра (увеличением) этот угол зрения можно увеличивать.

Питание наверх подать можно с помощью высокочастотного клистрона, расположенного внизу [5]. Пусть мощность излучения клистрона равна 2 кВт в непрерывном режиме. При КПД преобразования, равном 50%, для питания устройств, электродвигателей и приборов будет подводиться мощность 1 кВт, что достаточно для управления поворотом зеркала, его наклона и фокусным расстоянием окуляра.

Пусть размер излучающего объекта равен l_t=1.6 м, это означает, что его угловой размер составляет: l_t/l_s=10^-5, и после десятикратного увеличения объект будет виден как 1/100 диска Солнца, видимого невооруженным глазом. Исправить сферическую аберрацию такого телескопа можно с помощью специальной линзы [6], и тем самым получать практически дифракционное разрешение.

6. Вопросы стабилизации

Реализуемость данного метода напрямую зависит от того, удастся ли стабилизировать инфракрасные телескопы в пространстве с достаточной степенью так, чтобы наблюдение за низколетящей целью было возможно.

Комплекс мер по стабилизации можно разбить на три части: аэродинамическая стабилизация привязного аэростата с помощью специального крыла, расположенного над полюсом воздушного шара [7], активное гашение колебаний, применяемое для стабилизации положения локаторов, размещаемых на привязных аэростатах [8] и, наконец, оптическая стабилизация изображения [9].

Осуществление изобретения

Работа комплекса аппаратуры

На Фиг. 1 приведена схема комплекса аппаратуры. На двух подвижных платформах 1 расположены привязные аэростаты 2. С помощью излучающих антенн 3 и приемных антенн 4 к блокам полезной нагрузки 5 передается электрическая мощность. Инфракрасные телескопы 6 расположены на блоках полезной нагрузки таким образом, что они имеют возможность кругового вращения вокруг вертикальной оси и изменения вертикального угла за счет размещения на горизонтальном валу, что позволяет обнаруживать низколетящие объекты 7.

Работа комплекса аппаратуры происходит следующим образом.

На двух плавучих платформах 1 включают электролизеры с производительностью водорода порядка 200 м³/ч. В течение 20 часов водородом заполняют привязные аэростаты 2, которые поднимаются на высоту h=2 км и удерживаются стальными канатами с суммарным поперечным сечением S_c=1 см². С помощью излучающей антенны 3 к комплексу аппаратуры передается энергия, которая принимается приемной антенной 4. Аэростаты поднимают на высоту h=2 км подвижные платформы 5, на которых расположены инфракрасные зеркально-линзовые телескопы 6 с мозаичным фотоприемным устройством.

При работе в режиме кругового обзора гиростабилизация отключается, платформа вращается на 360 градусов вокруг вертикальной оси и, за счет расположения на горизонтальном валу, телескопы могут менять угол с вертикальной осью. Угол обзора телескопа составляет величину порядка 5 градусов. При обнаружении низколетящего объекта 7 включается гиростабилизация и два телескопа отслеживают цель.

Предельная дальность обнаружения составляет 160 км, чувствительность D* сурьмяно-индиевых детекторов, работающих при азотной температуре, составляет величину лучше, чем D*<10^-11·Вт/(см^1/2·Гц). Она такова, что на этом расстоянии от излучателя, имеющего температуру T=500°C, с площадью излучения 2 м², мощность излучения в диапазоне длин волн от 3.5 микрон до 4 микрон превышает фоновое излучение в 100 раз.

Литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоинтеферометрия_со_сверхдлинными_базами

2. А.В. Колдаев, А.Ю. Кондрашина, М.Ю. Малов и др. Комплекс воздушного наблюдения на основе привязного аэростата. Патент РФ №2462390.

3. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К. Кикоина. Москва, Атомиздат, 1976.

4. http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/infrared_kird0001e05.pdf

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводная_передача_электричества

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Зеркально_линзовый_телескоп

7. В.А. Розов, А.Ф. Конохов, И.А. Кренделев и др. Привязной аэростат, устойчивый к ветровой нагрузке. Патент РФ №2279994.

8. С.Н. Саяпин, А.В. Синев. Способ защиты объекта на маятниковой подвеске от резонансных колебаний и устройство для его осуществления. Патент РФ №2245470.

9. http://ru.wikipedia.org/wiki/Стабилизация_изображения

Изобретение относится к области обнаружения инфракрасного излучения низколетящих объектов. Комплекс аппаратуры для воздушного наблюдения включает размещение тепловизионной камеры на привязном аэростате с возможностью кругового вращения камеры вокруг вертикальной оси и изменения угла наклона камеры к вертикальной оси за счет размещения ее на горизонтальном валу. Две тепловизионные камеры размещены на двух привязных аэростатах. Камеры представляют инфракрасные зеркально-линзовые телескопы, имеющие мозаичные фотоприемные устройства, содержащие большое число пикселей 1024×1024, считываемые последовательно с помощью ПЗС матрицы. Аэростаты заполнены водородом, получаемым непосредственно на месте, путем электролиза воды. Изобретение направлено на повышение чувствительности обнаружения низколетящих объектов. 1 ил.

Комплекс аппаратуры для воздушного наблюдения, включающий размещение тепловизионной камеры на привязном аэростате с возможностью кругового вращения камеры вокруг вертикальной оси и изменения угла наклона камеры к вертикальной оси за счет размещения ее на горизонтальном валу, отличающийся тем, что две тепловизионные камеры размещены на двух привязных аэростатах, камеры представляют собой инфракрасные зеркально-линзовые телескопы, имеющие мозаичные фотоприемные устройства, содержащие большое число пикселей, например 1024×1024, считываемые последовательно, например, с помощью ПЗС матрицы, а аэростаты заполнены водородом, получаемым непосредственно на месте, путем электролиза воды.