Расчет следящей системы

Курсовая работа по предмету

«Оптико-электронные системы»

Расчет следящей системы

Москва 2015 год.

Техническое задание.

1. Температура объекта Тоб = 900 К

2. Площадь объекта Sоб = 4 м2

3. Дальность до цели D = 3 км

4. Поле обзора W0 = 2,5 град

5. Яркость фона Lф = 20 Вт/м2 . ср

6. Диаметр оптической системы приёмника Dоб = 9 см

7. Напряжение питания ФПУ Eп = +15 В

8. Тип схемы

9. Число секторов растра m = 11

10. Скорость вращения растра n = 4200 об/мин

Содержание

Введение 4

1. Обзор аналогов 8

2. Выбор фотоприёмного устройства 9

3. Габаритный расчёт оптической системы 14

4. Расчёт предусилителя 18

5. Энергетический расчёт 21

6. Расчёт пропускания оптической системы 24

7. Расчёт спектрального коэффициента пропускания 28

8. Расчёт шумов системы 32

Список используемых источников 33


Введение

Следящая система – система автоматического регулирования (управления), в которой регулируемая (выходная) величина с помощью обратной связи воспроизводится с определенной точностью задающую (входную) величину, изменяющуюся по неизвестному закону. Используется в измерительной технике, электроприводах, системах наведения ракет и т. д.

Проблемы создания высокочастотного ракетного оружия стали особенно актуальны в период ракетно-ядерных вооружений, когда на первый план вышла задача замены ядерных боеголовок боеголовками обычного снаряжения и, соответственно, существенного повышения точности стрельбы для эффективного поражения цели.

Одним из способов повышения точности наведения ракет на расположенные на местности цели, обладающие гораздо меньшим по сравнению с воздушными и морскими соотношением полезный сигнал/помеха, является комплексирование инерциальных навигационных систем ракет с корреляционно-экстремальными системами наведения по местности в видимом, ИК и радиодиапазонах электромагнитного спектра волн.

К достоинствам оптико-электронных систем наведения ракет по сравнению с радиолокационными следует отнести высокую разрешающую способность, пассивность (отсутствие зондирующих сигналов), малые габариты и массу бортовой аппаратуры.

Работы в области создания оптико-электронных корреляционно-экстремальных систем наведения ракет началось в середине 30-х годов. В процессе выработки идеологии построения системы и разработки схемы прохождения информации было определенно, что, в отличие от ракетных с ядерными боеголовками большой мощности, высокочастотные ракетные комплексы с боеголовками обычного снаряжения должны включать в себя систему оперативной разведки целей, систему точного целеуказания и систему подготовки эталонной информации.

Система разведки должна действовать во всем диапазоне дальностей стрельбы ракет и включать сегменты космической и воздушной разведки. Система целеуказания на основе полученной разведывательной информации решает задачу точного координатного целеуказания для инерциальной навигационной системы ракеты, а система подготовки эталонной информации осуществляет подготовку эталонных изображения местности, предназначенных для работы корреляционно-экстремальной системы наведения.

Таким образом, создание оптико-электронных систем наведения проблема не только разработки малогабаритных, высокочувствительных, высокочастотных оптико-электронных датчиков изображения земной поверхности, но и целого ряда наземных информационных систем для приема и обработки видеоизображения, выработки информации целеуказания и эталонной информации, оперативного доведения информации до пусковых установок ракет.

В 70-х годах выполнялись научно-исследовательские экспериментальные работы(НИЭР) по определению возможности создания оптико-электронной системы наведения для баллистических ракет сухопутных войск. В ходе НИЭР был проведен цикл исследований в области теории распознавания образов, теории обработки изображения, созданы основы системотехники и математического обеспечения для разработки наземной аппаратуры подготовки эталонной информации и бортовой аппаратуры измерения текущих изображений земной поверхности.

В ходе НИЭР была изготовлена аппаратура корреляционно-экстремальной оптико-электронной системы наведения, которая прошла испытания в составе самолета-лаборатории и показала удовлетворительную точность различных ландшафтах местности. Завершились НИЭР пуском серийной баллистической ракеты с установленной на ней системой наведения. Отклонение точки падения головной части от цели составило несколько метров, что полностью подтвердило большие потенциальные возможности оптико-электронных систем наведения ракет.

Для всесторонней оценки погодной и ландшафтной надежности системы наведения был создан банк фоноцелевой обстановки различных участков земной поверхности,

Времени суток и года. Банк насчитывает более десяти тысяч видеоизображений участков поверхности Земли. Математическое моделирование работы системы с использованием банка данных фоноцелевой обстановки позволило всесторонне оценить точностные и эксплуатационные характеристики системы. Проведенный цикл наземных стендовых испытаний позволил отработать аппаратуру программно-математическое обеспечение системы. Множество самолетовылетов позволили экспериментально оценить точностные характеристики системы, а также ее ландшафтную погодную надежность. На заключительном этапе испытаний были проведены пуски ракет с управляемыми головными частями, которые показали, что отклонения точек падения ракет от целей составляют величины на уровне единиц – первых десятков метров.

В настоящее время оптико-электронные системы наведения ракет оснащаются современными оптико-электронными узлами, высокопроизводительными ЭВМ, сложным программно-математическим обеспечением.

Применение этих систем в баллистическом ракетном оружии для ряда климатических зон сдерживается погодными условиями эксплуатации – низкой облачностью, осадками, которые делают местность в районе цели плохоразличимой с больших высот. В то же время погода перестает быть декоррелирующим фактором для оптико-электронных систем, если они установлены на низковысотных крылатых ракетах воздушного, морского и наземного базирования. Применение этих систем в крылатых ракетах позволяет более эффективно преодолевать зоны противоракетной обороны противника и обеспечить точность попадания в цель на уровне единиц метров.

В современных важнейшее значение приобретает наземная инфраструктура системы, выполняющая функции подготовки и пуска ракет, оснащенных корреляционно-экстремальными системами наведения. Успехи в развитии информационных технологий, микроэлектроники, оптики, вычислительной техники, техники обработки изображений, техники связи позволяют в настоящее время создать высокопроизводительные средства передачи и обработки разведывательной информации, высокоточные средства интерактивной обработки изображений, выработки целеуказания и подготовки эталонной информации, высокоскоростные средства передачи информации на пусковые установки ракет.

Актуальность данной темы состоит в том, что, создание подобных высокоточных и высокопроизводительных средств для бортовой и наземной аппаратуры систем наведения ракет позволяет объединить в едином автоматизированном цикле процессы разведки, целеуказания, боевого управления, подготовки эталонов и полетных заданий, пуска, наведения ракет и поражения уели. Это, в конечном счете, позволяет решить проблему оперативного и эффективного поражения целей дальнобойными ракетами с зарядами обычного снаряжения.


  1. Обзор аналогов

Автоматический радарно-оптический комплекс обнаружения и слежения предназначен для круглосуточной, всепогодной охраны протяженных участков периметра и территории. В состав комплекса входит Радиолокационная система (РЛС) охраны периметра и территории объектов Orwell-R, интегрированная с поворотными видеокамерами или тепловизорами. РЛС в автоматическом режиме обнаруживает и классифицирует цели (люди, автомобили и др.) и наводит на них поворотную камеру или тепловизор, видеоинформация от которых передается оператору в реальном времени. Автоматический радарно-оптический комплекс обнаружения и слежения предназначен для повышения эффективности охраны особо важных объектов и автоматизации управления системой безопасности из единого ситуационного центра с возможностью оперативного взаимодействия с правоохранительными органами, центрами безопасности, МЧС и другими экстренными службами.

Интеграция РЛС охраны периметра и территории объектов Orwell-R c системой видеонаблюдения (тепловизором) позволяет осуществлять комплексную централизованную охрану объектов с возможностью контроля подступов к охраняемой территории.

Рисунок 1.1 Радарно-оптический комплекс обнаружения


2. Выбор фотоприёмного устройства

2.1. Расчёт растра.

Число секторов растра 11

Скорость вращения растра об/мин

Частота первой гармоники:

(2.1)

70 Гц

Частота несущего колебания:

(2.2)

770 Гц

Полоса пропускания растра:

(2.3)

140 Гц

Период обзора анализатора:

(2.4)

0,014 сек

Период повторения импульса:

(2.5)

6.49410-4 сек

Длина окружности анализатора:

(2.6)

56,549 мм

Линейный размер сектора:

(2.7)

2,57 мм

Диаметр изображения на растре:

(2.8)

1,285 мм

Длительность импульса:

(2.9)

3,24710-4 сек

2.2 Выбор типа приёмника излучения.

Выбираем фотоприёмное устройство со значением близким к расчётному.

Таблица 2.1

№

Тип прибора

Размеры фоточувствитель-ного элемента,мм

1 СФ4-1В

11

0,5…4,2

3,0…3,2

0,4

---

1000

2 СФ4-2В

22

0,5…4,2

3,0…3,2

0,4

---

1000

3 СФ4-3В

33

0,5…4,2

3,0…3,2

0,4

---

1000

Таблица 2.2

№

Тип прибора

Uр, В

, с, не более

1 СФ4-1В

2,5…10

1*10-5

1*1010

2 СФ4-2В

2,5…10

1*10-5

1*1010

3 СФ4-3В

2,5…10

1*10-5

1*1010

2.2.1 Температура стандартного излучателя по которому калибруется приёмник излучения .

Найдём :

Таблица 2.3

3,588

4,058

4,558

5,058

5,558

6,058

6,558

7,058

0,703

0,802

0,901

1

1,099

1,198

1,297

1,395

559,558

697,183

772,67

794,601

777,756

737,151

683,198

624

29

5

3

1,5

1

0,5

0,25

0,15

Построим график зависимости спектральной плотности стандартного излучателя от длины волны (Рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 - График зависимости спектральной плотности стандартного излучателя от длины волны

2.2.2 Рассчитаем паспортный пороговый поток.

(2.10)

Спектральный коэффициент использования фотодетектором излучения эталонного источника.

(2.11)

4,363

4,363

4,363

2,29210-11 Вт/Гц1/2

4,58410-11 Вт/Гц1/2

6,87610-11 Вт/Гц1/2

2.2.3 Рассчитаем параметр :

(2.12)

q1 = 4,424108 Гц1/2/ Вт

q2 = 2,212108 Гц1/2/ Вт

q3 = 1,475108 Гц1/2/ Вт

Выбираем фотодетектор с максимальным значением в заданной спектральной области:

2.3 Найдём площадь входного зрачка.

(2.13)

Освещенность объекта:

(2.14)

Где - дальность до объекта;

- отношение сигнал/шум;

- коэффициент, учитывающий зависимость пороговой чувствительности ФП от реальных условий эксплуатации;

- полоса частот;

- температура стандартного источника;

коэффициент модуляции;

6.075103 мм2

5.4 Определим диаметр объектива с учётом зеркала:

(2.15)

92 мм

Так как диаметр объектива не превышает 10% от рассчитанного, фотоприёмник выбран правильно.


3. Габаритный расчет оптической системы

Рисунок 3.1 - Оптическая схема ФПУ

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

3.1 Рассчитаем положение отдельных оптических элементов относительно друг друга.

3.1.1 Фокусное расстояние объектива:

3.1.2 Радиус кривизны рабочей поверхности объектива:

(3.1)

3.1.3 Расчёт положения зеркала относительно главной плоскости объектива:

Угол падения крайнего луча на поверхность объектива:

(3.2)

Угол крайнего луча с оптической осью после отражения от объектива:

(3.3)

Положение зеркала относительно главной плоскости объектива:

(3.4)

- Расстояние до плоскости изображений объектива;

- Расстояние от плоскости изображений до отражающей поверхности зеркала;

Стрелка прогиба объектива:

(3.5)

Расстояние до предметной плоскости объектива:

(3.6)

(3.7)

(3.8)

Положение зеркала относительно главной плоскости объектива:

(3.9)

=

3.1.4 Расчёт положения корректирующей линзы.

Расстояние до предметной плоскости:

(3.10)

Выбираем расстояние до плоскости изображения линзы исходя из конструктивных соображений:

Расстояние от линзы до растра:

(3.11)

23,804 мм

3.1.5 Расчёт корректирующей линзы.

(3.12)

мм

4,1

2,7 мм

(3.13)

76,269 мм


4. Расчёт предусилителя

Фотодетектором является фоторезистор СФ4 – 1В, напряжение
питания +15 В.

Согласующий каскад собираем по схеме истокового повторителя на базе полевого транзистора КП302БМ с затвором на основе p - n перехода и каналом n – типа.

Характеристики транзистора:

Таблица 4.1

Тип прибора

, Вт

Uзи отс , В

Uси max , В

Uзи max , В

, мА

, мА

, нА

КП302БМ

300

5

20

10

43

43

10

, мА/В

, nФ

, nФ

, Ом

, дБ

, нс

, нс

7…14

20

8

150

<3(кГц)

4

5

По графикам и входных и выходных характеристик транзистора выбираем рабочую точку.

= 0,75 В ;

= 5 мА ;

= 10 В .

Для работы транзистора необходимо соблюдать условие:

.

Находим из выражения:

(4.1)

= 7,5105 МОм

Определим входное сопротивление истокового повторителя:

Где - коэффициент обратной связи, = 0,9.

(4.2)

Определяем сопротивление нагрузки каскада по постоянному току:

(4.3)

= 1103Ом

Рассчитываем делитель напряжения и :

(4.4)

= 150 Ом

(4.5)

= 850 Ом

Рассчитываем сопротивление нагрузки по переменному току:

(4.6)

Рассчитаем входное сопротивление следующего каскада:

(4.7)

Оцениваем входную ёмкость по справочным данным транзистора:

(4.8)

(4.9)


5. Энергетический расчет

5.1 Спектральная плотность энергетической светимости реального объекта определяется формулой:

(5.1)

Для оценки длины волны, на которой функция имеет максимальное значение, можно воспользоваться законом Галицина-Вина и по формуле:

(5.2)

Для расчёта функции воспользуемся таблицей [3.9] и формулой (5.3), полученные данные занесём в таблицу 5.1

(5.3)

Таблица 5.1

1,72

2,22

2,72

3,22

3,72

4,22

4,72

5,22

x

0,534

0,689

0,845

1

1,155

1,311

1,466

1,621

y

29,06 . 10-2

68,25 . 10-2

92,46 . 10-2

100 . 10-2

95,63 . 10-2

85,26 . 10-2

74,01 . 10-2

62,63 . 10-2

По таблице [3.2] с учётом заданной температурой объекта выбираем материал, из которого будет изготовлен объект и соответствующий ему коэффициент излучения .

Выбираем: Железо полированное.

Форма объекта - диск.

Т = 0,144 - 0,377

5.2 Если объект можно считать серым излучателем, то спектральную функцию энергетической светимости можно поучить, умножив все ординаты кривой на коэффициент теплового излучения. Полученные данные занесём в таблицу 1.2

Таблица 5.2

1,72

2,22

2,72

3,22

3,72

4,22

4,72

5,22

x

0,534

0,689

0,845

1

1,155

1,311

1,466

1,621

y

29,06 . 10-2

68,25 . 10-2

92,46 . 10-2

100 . 10-2

95,63 . 10-2

85,26 . 10-2

74,01 . 10-2

62,63 . 10-2

z

1,54 . 10-2

0,594

5.3 Рассчитаем и построим индикатрису излучения объекта (рисунок 5)

(5.4)

Где - коэффициент теплового излучения объекта;

- площадь объекта;

-температура объекта;

Таблица 5.3.

0

10

20

30

40

10332

10175,0337

9708,90416

8947,77447

7914,77119

50

60

70

80

90

6641,28158

5166

3533,75212

1794,13297

6.32632. 10-13

Рисунок 5 - Структурная схема ОЭП

  1. Оптическая схема;
  2. Анализатор изображения;
  3. Фотодетектор;
  4. Предуселитель;
  5. Избирательный усилитель;
  6. Опорный канал;
  7. Фазовый детектор.

Рисунок 5.1 - График зависимости

Рисунок 5.2 - Индикатриса энергетической силы света


6 Расчёт пропускания оптической системы

6.1 Защитное стекло (LiF)

(6.1)

(6.2)

Находим значение коэффициента пропускания защитного стекла LiF, используя график зависимости , полученные значения заносим в таблицу 6.1

Таблица 6.1

1,72

0,96

0,041

0,802

2,22

0,95

0,051

0,758

2,72

0,94

0,062

0,716

3,22

0,93

0,073

0,676

3,72

0,93

0,073

0,676

4,22

0,92

0,083

0,637

2,72

0,91

0.094

0,601

5,22

0,9

0,105

0,566

6.2 Корректирующая линза (Ge).

(6.3)

6.4)

2,2

4,1

1

0,014

Находим значение коэффициента пропускания корректирующей линзы (Ge), используя график зависимости , полученные значения занесём в таблицу 6.2

Таблица6.2

1,72

0,276

0,3

0,602

0,103

2,22

0,277

0,5

0,347

0,205

2,72

0,277

0,5

0,347

0,205

3,22

0,277

0,5

0,347

0,205

3,72

0,277

0,5

0,347

0,205

4,22

0,277

0,5

0,347

0,205

2,72

0,277

0,5

0,347

0,205

5,22

0,277

0,49

0,357

0,2

6.3 Растр (сапфир)

Находим значение коэффициента пропускания растра (сапфир), используя график зависимости , полученные данные заносим в таблицу 6.3

Таблица 6.3

1,72

0,89

0,117

0,811

2,22

0,9

0,105

0,827

2,72

0,9

0,105

0,827

3,22

0,89

0,117

0,811

3,72

0,87

0,139

0,778

4,22

0,85

0,163

0,746

2,72

0,8

0,223

0,669

5,22

0,76

0,274

0,61

6.4 Зеркальные покрытия объектива и зеркала (серебро)

Находим значение коэффициента пропускания зеркала (серебро), используя график зависимости , полученные данные заносим в таблицу 6.4

Таблица 6.4

1,72

0,84

2,22

0,85

2,72

0,85

3,22

0,85

3,72

0,85

4,22

0,85

2,72

0,85

5,22

0,85

6.5 Рассчитаем спектральный коэффициент пропускания оптической системы и занесём данные в таблицу 3.5

(6.5)

Таблица 6.5

1,72

0,056

2,22

0,109

2,72

0,103

3,22

0,096

3,72

0,092

4,22

0,083

2,72

0,07

5,22

0,059

Построим график зависимости (рисунок 6.1)

Рисунок 6.1 - График зависимости спектрального коэффициента пропускания оптической системы от длины волны


7 Расчёт спектрального коэффициента пропускания атмосферы

Дальность до цели: 3 км

Температура воздуха:

Высота: 9 км

Относительная влажность: 40 %

Упругость насыщенных паров:

7.1 Определяем толщину поглощающего слоя атмосферы.

Рассчитаем количество осаждённой воды (мм) на длине 1 км:

(7.1)

0,1410-3 мм/км

На длине трассы 3 км

(7.2)

0,342 мм

7.2 По таблице [7.9] определим спектральные коэффициенты пропускания излучения парами воды в диапазоне длин волн 1..9 мкм (без учёта поправок на высоту), результаты занесём в таблицу 7.1

Таблица 7.1

1,72

0,997

0,988

2,22

0,997

0,998

2,72

0,196

0,598

3,22

0,894

0,947

3,72

0,994

0,997

4,22

0,992

0,996

2,72

0,930

0,965

5,22

0,784

0,892

7.3 Определим коэффициенты поправок для высоты

0,5

0,13

7.4 Рассчитаем спектральный коэффициент пропускания излучения парами воды на заданной высоте и результаты занесём в таблицу 4.1

(7.3)

7.5 Рассчитаем эквивалентную толщину поглощающего слоя атмосферы:

(7.4)

км

7.6 С помощью таблицы [4.11] определяем спектральные коэффициенты пропускания излучения углекислым газом, данные заносим в таблицу 7.2

Таблица 7.2

1,72

2,22

2,72

3,22

3,72

4,22

4,72

5,22

0,37

0,45

0,53

0,61

0,64

0,67

0,69

0,7

7.7 Рассчитаем спектральный коэффициент молекулярного и аэрозольного рассеивания, полученные значения заносим в таблицу 4.3

(7.5)

Таблица 7.3

1,72

0,2

2,22

0,28

2,72

0,36

3,22

0,46

3,72

0,49

4,22

0,53

2,72

0,56

5,22

0,57

7.8 Рассчитаем значения спектральных коэффициентов пропускания атмосферы, результаты заносим в таблицу 4.5

(7.6)

Таблица 7.4

0,2

0,2

0,28

0,28

0,36

0,43

0,46

0,43

0,49

0.49

0,53

0,29

0,56

0,54

0,57

0,5

Таблица 7.5

1,72

0,997

0,988

1

0,2

0,2

2,22

0,997

0,998

1

0,28

0,28

2,72

0,196

0,598

0,718

0,36

0,43

3,22

0,894

0,947

1

0,46

0,43

3,72

0,994

0,997

1

0,49

0.49

4,22

0,992

0,996

0,551

0,53

0,29

2,72

0,930

0,965

0,993

0,56

0,54

5,22

0,784

0,892

0,980

0,57

0,5

Построим зависимость

Рисунок – 7.1 График зависимости


8 Расчёт шумов системы

8.1 Тепловой шум:

(8.1)

5,29910-15 В

8.2 Дробовый шум:

(8.2)

1,70710-13В

8.3 Радиационный шум:

(8.3)

7,85510-14В

8.4 Суммарный шум:

2,54810-13В

8.5 Шумы повторителя:

(8.4)

3,97410-15 В

.

8.6 Найдём напряжение:

(8.5)

9,76510-7 В

8.6 Найдём отношение сигнал/шум:

(8.6)

3,832106


Список используемых источников

  1. Криксунов Л.З. Справочник по основам ИК технике. М. Сов. радио, 1978 г.
  2. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов. М. Машиностроение, 1984 г.
  3. Якушеков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов. М. Сов. радио, 1980 г.
  4. Павлов А.В. Оптико-электронные приборы (основы теории и расчёта). М Энергия, 1974 г.
  5. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приёмники оптического излучения. М. Радио и связь, 1987 г.
  6. Научная библиотека, Следящая система http://edu.sernam.ru/book_kiber2.php?id=523


8

6

5

4

3

2

1

EMBED Equation.DSMT4

Расчет следящей системы