Устройство для настройки и проверки работоспособности инфракрасной аппаратуры систем дистанционного наблюдения Российский патент 2024 года по МПК G01J5/90 

Изобретение относится к технической физике, а более конкретно -к фотометрии и может быть использовано в конструкции инфракрасных (ИК) тест-объектов открытых испытательных полигонов для исследования и контроля ИК систем дистанционного наблюдения.

Известно изобретение «Способ автоматизированной оценки разрешающей способности авиационных оптико-электронных систем дистанционного зондирования в видимом и инфракрасном диапазонах волн и универсальная пассивная мира для его реализации», патент RU2293960C1, опубликован 20.02.2007. Недостаток известного решения в том, что пассивная мира, обеспечивая инструментальную оценку параметров качества авиационных оптико-электронных средств и систем дистанционного зондирования в видимом и ИК диапазоне электромагнитного спектра, не отвечает требованиям точности измерений и не обеспечивает оценку необходимых температурных диапазонов.

Известно изобретение «Пассивная инфракрасная штриховая мира», патент RU2605818C1, опубликован 27.12.2016. Устройство содержит штриховые элементы в виде прямоугольных рам с установленными в них поворотными экранирующими пластинами. Недостатком известного устройства является неудовлетворительная точность измерений.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является изобретение «Пассивная инфракрасная мира с системой автоматического регулирования», патент RU2387969C1, опубликован 27.04.2010. Устройство содержит подстилающую поверхность с расположенной на ней инфракрасной мирой, измерительный датчик, программное средство управления. Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает настройку и проверку работоспособности аппаратуры в широком диапазоне температур, не отвечает требованиям точности измерений

«Мира (франц. mirer - рассматривать на свет) - испытательная таблица или тест-объект для определения разрешающей способности фотоматериалов и разрешающей силы объективов». («Большой энциклопедический политехнический словарь» [Электронный ресурс] URL: https://rus-big-polyheh-dict/slovaronline.com).

Для настройки и проверки работоспособности ИК аппаратуры космических (КА) и летательных аппаратов (ЛА) изготавливают тест-объект на полигоне - на земле выкладывают фигуру из различных материалов (щебень, бетонные блоки, пластины и др.) из полос, по-разному ориентированных. Эта фигура называется «пассивная мира». Проходящий над этим полигоном КА/ЛА снимает своей бортовой аппаратурой показания энергетических характеристик, которые затем используются для настройки и калибровки аппаратуры.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении эффективности функционирования тест-объекта (активной миры) и увеличении точности измерений, за счет обеспечения оценки пространственной разрешающей способности и минимальной различимой разницы температуры ИК аппаратуры, размещенной на борту авиационных и космических систем дистанционного наблюдения, как в дневное время, так и после захода солнца.

Для достижения технического результата устройство для настройки и проверки работоспособности инфракрасной аппаратуры систем дистанционного наблюдения космических и летательных аппаратов, используемой в конструкциях инфракрасных тест-объектов открытых испытательных полигонов, содержит подстилающую поверхность, измерительный датчик, программное средство управления, причем подстилающая поверхность выполнена из электрических нагревательных элементов прямоугольной формы с измерительным датчиком в виде термодатчика и выводами управления, образующих активную управляемую инфракрасную площадную миру, размещенную на металлическом каркасе. При этом нагревательный элемент заключен в водонепроницаемую защитную оболочку и представляет собой многослойную конструкцию, один слой которой состоит из теплоизоляционного материала, а другой является инфракрасным пленочным нагревателем, между которыми расположен фольгированный отражатель. На поверхности инфракрасных пленочных нагревателей расположена рабочая поверхность нагревательного элемента в виде алюминиевого листа, на поверхности которого формируются температурные рисунки по данным, получаемым круглосуточно в момент сьемки, путем нагрева термодатчиков, расположенных на алюминиевом листе с кабелем питания. При этом выводы термодатчиков через модули ввода соединены со шкафом управления, связанным с автоматизированным рабочим местом, выполненным в виде программного средства управления, мониторинга и документирования, выводы термодатчиков и твердотельных реле соединены через модули ввода со шкафом управления, связанным с автоматизированным рабочим местом. Причем активная управляемая инфракрасная площадная мира выполнена с возможностью ее поворота на заданную величину по азимуту на угол не менее 180 градусов с шагом поворота 1 градус.

В качестве термодатчика используется термистор с отрицательным температурным коэффициентом, представляющий собой температурозависимый резистор, сопротивление которого уменьшается при повышении температуры.

Рабочая поверхность всех нагревательных элементов в виде алюминиевого листа покрыта термостойкими грунтом и краской с низким коэффициентом отражения в инфракрасном диапазоне, а остальные поверхности нагревательных элементов покрыты запаянной армированной поливинилхлоридной пленкой.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана конструкция нагревательного элемента (разрез сбоку).

На фиг. 2 показана конструкция нагревательного элемента (вид сверху).

На фиг. 3 показан пример схемы активной миры, составленной из нагревательных элементов (вид сверху).

На фиг. 4 показан внешний вид макета нагревательного элемента (без применения изолирующего материала).

На фиг. 5 показан вид двух нагревательных элементов с разной температурой в инфракрасном диапазоне.

На фиг. 6 показана схема организации управления.

На фиг. 7 показан пример интерфейса установки требуемого значения температуры нагревательной панели.

На фиг. 8 показан пример формирования графического изображения путем нагрева элементов миры.

На фиг. 9 показана схема поворота миры.

На фиг. 1 - фиг. 6 введены обозначения:

1. Защитная оболочка нагревательного элемента.

2. Инфракрасный пленочный нагреватель.

3. Алюминиевый лист.

4. Термодатчик.

5. Выводы термодатчика.

6. Теплоизоляционный материал.

7. Фольгированный отражатель.

8. Кабель питания.

9. Нагревательный элемент.

10. Автоматическое рабочее место (АРМ) управления и мониторинга.

11. Шкаф управления (ШУ).

12. Модули ввода информации.

Наземный тест-объект - заявляемая активная мира, используемая для оценки пространственно-частотных и энергетических характеристик бортовой ИК аппаратуры - создается в виде активной площадной миры (например, со сторонами 25 м на 25 м), состоящей из электрических нагревательных элементов 9 (например, с габаритами 1 м на 2,5 м). По внешнему виду это похоже на шахматное поле с прямоугольными клетками (см. фиг. 3).

Каждый нагревательный элемент 9 оснащен термодатчиком 4 и имеет отдельное управление. В качестве термодатчика 4 применяется термистор с отрицательным температурным коэффициентом, представляющий собой температурозависимый резистор, сопротивление которого уменьшается при повышении температуры.

Материал, который используется в мире, можно контролируемо нагревать.

Нагревательный элемент 9 представляет собой многослойную конструкцию (фиг. 1,2,4), оснащенную встроенным нагревателем для достижения и поддержания заданной температуры. Для равномерного распределения тепла по верхней части нагревательного элемента 9, а также избегания резких перепадов температур из-за влияния атмосферы, над нагревателем 9 крепится алюминиевый лист 3 толщиной от 4 до 6 мм. Алюминиевый лист 3 выступает в качестве рабочей поверхности нагревательного элемента 9. Нагревательный элемент 9 имеет водонепроницаемую защитную оболочку 1. Теплоотражающий и теплоизоляционный слои снижают теплопотери, возникающие в результате контакта нагревательного элемента 9 с несущим каркасом активной миры. На торцах нагревательного элемента 9 имеется тонкий слой теплоизоляции для снижения теплообмена и обеспечения четких границ с контактируемыми поверхностями и другими нагревательными элементами при объединении нескольких элементов в группы.

Нагревательные элементы 9 размещаются на металлическом каркасе, обеспечивающем ровную, горизонтальную поверхность, образуя активную управляемую инфракрасную миру (фиг. 3).

Металлический каркас имеет возможность поворота по азимуту на угол не менее 180 градусов для изменения направления рисунка миры. Шаг поворота - 1 градус.

Рабочая поверхность нагревательных элементов 9 покрывается термостойкими грунтом и краской с низким коэффициентом отражения в инфракрасном диапазоне.

Остальные поверхности нагревательного элемента 9 покрываются запаянной армированной поливинилхлоридной пленкой или иным аналогичным материалом, препятствующим попаданию влаги внутрь нагревательного элемента.

Управление активной мирой

Для управления нагревом рядом с активной мирой размещается отдельно стоящая мобильная операторная (сориентированная на местности и устанавливаемая на расстоянии, исключающем затенение рабочей поверхности миры) с размещаемым мобильным автоматическим рабочим местом (АРМ10) управления и мониторинга (см. фиг. 6).

Оператор активной миры при помощи программных средства управления, мониторинга и документирования, установленных на АРМ 10, создает графическое изображение имитируемого объекта, выставляет целевую температуру для «теплых» и «холодных» зон (шаг выставления температуры - 0,2° С).

Информация в автоматическом режиме передается на шкаф управления 11 (ШУ). Программируемый логический контроллер через твердотельное реле управляет включением/выключением нагревательной панели. Измерение температуры проводится на базе термисторного датчика. Сбор данных температуры проводится распределенными модулями ввода информации 12. Все результаты работы активной миры фиксируются в электронном журнале.

Задачи, решаемые АРМ управления и мониторинга:

-сбор данных и отображение информации о значении температур нагревательных элементов в условиях времени близкому к реальному;

-хранение информации о значениях температуры нагревательных элементов за различные периоды;

-управление нагревом и поддержанием температуры нагревательных элементов;

- формирование конфигурационных файлов с температурными значениями для всех нагревательных элементов; обеспечение сохранения и последующей загрузки/применения данного конфигурационного файла;

- управление поворотом миры по азимуту;

-вывод на табло отображения информации 20-модели миры со сведениями о значении температур нагревательных элементов;

- диагностика состояния элементов миры.

С целью обеспечения точности измерения значений нагревательных элементов и проведения их юстировки, в состав тест-объекта входят контрольные измерительные средства (например, лабораторный термометр).

Для ведения оперативного контроля за температурой рабочей поверхности активной миры рядом с мобильной операторной размещается мачта с размещаемой на ней тепловизионной камерой. Данные с тепловизионной камеры, в условно реальном времени, передаются на экран отображения информации, расположенный в мобильной операторной.

Оценка линейного разрешения и минимально различимой разницы температуры

Для определения пространственной разрешающей способности и минимальной различимой разницы температуры (температурного разрешения) ИК аппаратуры систем дистанционного наблюдения на поверхности активной миры формируются температурные рисунки. Вид и размер рисунка зависят от проверяемых характеристик бортовой аппаратуры. Формирование рисунка осуществляется путем нагрева элементов миры до требуемых температур.

Для определения пространственной разрешающей способности ИК аппаратуры систем дистанционного наблюдения на поверхности активной миры может формироваться температурный рисунок в виде группы штрихов (см. фиг. 8). В зависимости от проводимых измерений температурные штрихи могут быть холодными на теплом фоне или теплыми на холодном фоне.

Для оценки минимальной различимой разницы температуры бортовой ИК аппаратуры систем дистанционного наблюдения подбирается интервал между теплыми и холодными элементами-рисунками исходя из характеристик бортовой ИК аппаратуры (фиг. 6, 7).

Температурное разрешение бортовой ИК аппаратуры систем дистанционного наблюдения также может оцениваться путем формирования на поверхности активной миры рисунка в виде температурного градиента (фиг. 5). Интервал перепада температур между соседними нагревательными элементами определяется исходя из решаемых задач и характеристик проверяемой аппаратуры.

В ходе проведения измерений интервал может корректироваться (увеличиваться или уменьшаться) при каждом последующем измерении с целью наиболее точного определения характеристик бортовой ИК аппаратуры систем дистанционного наблюдения.

Оценка разрешающей способности и минимальной различимой разницы температуры съемочной бортовой аппаратуры, проводится путем сравнения полученного изображения снимка активной миры с данными о геометрических и температурных характеристиках сформированного на ее поверхности температурного рисунка в момент съемки. Описанный вариант конструкции тест-объекта позволяет провести оценку пространственной разрешающей способности и минимальной различимой разницы температуры ИК аппаратуры, размещенной на борту авиационных и космических систем в дневное время и после захода солнца.

Для изменения угловой ориентации активной миры и сформированных на ее поверхности температурных рисунков относительно траектории движения авиационных и космических систем со съемочной ИК аппаратурой системы дистанционного наблюдения активная мира располагается на специальной опорно-поворотной площадке с углом поворота по азимуту не менее 180 градусов (см. фиг. 9).

Описанный вариант конструкции инфракрасного тест-объекта позволяет провести оценку пространственной разрешающей способности и минимальной различимой разницы температуры аппаратуры, размещенной на борту авиационных и космических систем дистанционного наблюдения в дневное время и после захода солнца.

Изобретение относится к области фотометрии и касается устройства для настройки и проверки работоспособности инфракрасной аппаратуры систем дистанционного наблюдения космических и летательных аппаратов. Устройство содержит подстилающую поверхность, измерительный датчик, программное средство управления. Подстилающая поверхность выполнена из электрических нагревательных элементов прямоугольной формы с измерительным датчиком в виде термодатчика и выводами управления, образующих активную управляемую инфракрасную площадную миру, размещенную на металлическом каркасе. Нагревательный элемент представляет собой многослойную конструкцию из теплоизоляционного материала, фольгированного отражателя и инфракрасного пленочного нагревателя. На поверхности инфракрасных пленочных нагревателей расположена рабочая поверхность нагревательного элемента в виде алюминиевого листа, на поверхности которого формируются температурные рисунки. Выводы термодатчиков через модули ввода соединены со шкафом управления, связанным с автоматизированным рабочим местом, выполненным в виде программного средства управления, мониторинга и документирования. Мира выполнена с возможностью ее поворота по азимуту на угол не менее 180 градусов с шагом поворота 1 градус. Технический результат заключается в увеличении точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для настройки и проверки работоспособности инфракрасной аппаратуры систем дистанционного наблюдения космических и летательных аппаратов, используемое в конструкциях инфракрасных тест-объектов открытых испытательных полигонов, содержащее подстилающую поверхность, измерительный датчик, программное средство управления, отличающееся тем, что подстилающая поверхность выполнена из электрических нагревательных элементов прямоугольной формы с измерительным датчиком в виде термодатчика и выводами управления, образующих активную управляемую инфракрасную площадную миру, размещенную на металлическом каркасе, при этом нагревательный элемент заключен в водонепроницаемую защитную оболочку и представляет собой многослойную конструкцию, один слой которой состоит из теплоизоляционного материала, а другой является инфракрасным пленочным нагревателем, между которыми расположен фольгированный отражатель, на поверхности инфракрасных пленочных нагревателей расположена рабочая поверхность нагревательного элемента в виде алюминиевого листа, на поверхности которого формируются температурные рисунки, по данным, получаемым круглосуточно в момент съемки, путем нагрева термодатчиков, расположенных на алюминиевом листе с кабелем питания, при этом выводы термодатчиков через модули ввода соединены со шкафом управления, связанным с автоматизированным рабочим местом, выполненным в виде программного средства управления, мониторинга и документирования, выводы термодатчиков и твердотельных реле соединены через модули ввода со шкафом управления, связанным с автоматизированным рабочим местом, причем активная управляемая инфракрасная площадная мира выполнена с возможностью ее поворота на заданную величину по азимуту на угол не менее 180 градусов с шагом поворота 1 градус.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве термодатчика используется термистор с отрицательным температурным коэффициентом, представляющий собой температурозависимый резистор, сопротивление которого уменьшается при повышении температуры.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая поверхность всех нагревательных элементов в виде алюминиевого листа покрыта термостойкими грунтом и краской с низким коэффициентом отражения в инфракрасном диапазоне, а остальные поверхности нагревательных элементов покрыты запаянной армированной поливинилхлоридной пленкой.