WYZNACZANIE WYBRANYCH PARAMETRÓW STANOWISKA LABORATORYJNEGO DO BADANIA OPTOELEKTRONICZNYCH GŁOWIC ŚLEDZĄCYCH

Transkrypt

1 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji r inż. Włodzimierz BOROWCZYK r inż. Wojciech KACZMAREK Wojskowa Akademia Techniczna WYZNACZANIE WYBRANYCH PARAMETRÓW TANOWIKA LABORATORYJNEGO O BAANIA OPTOELEKTRONICZNYCH GŁOWIC ŚLEZĄCYCH reszczenie: W arykule przedsawiono wyznaczanie granicznych prędkości i przyspieszeń źródła promieniowania oraz jego emperaury na porzeby sanowiska laboraoryjnego do badania wybranych paramerów opoelekronicznych głowic śledzących. Auorzy przedsawili podsawowe zależności oraz wyniki przeprowadzonych symulacji. CALCULATION OF THE ELECTE PARAMETER OF THE LABORATORY TAN IN TUY OF THE OPTOELECTRONIC HEA Absrac: This paper presens he calculaions of velociies and acceleraions of he radiaion source and he calculaions of he emperaure of he radiaion source. These parameers are needed o configure he laboraory posiion in he sudy of opoelecronic heads. The auhors presen he basic relaions and he resuls of he compuer simulaions. łowa kluczowe: głowica opoelekroniczna paramery głowicy opoelekronicznej sanowisko badawcze Keywords: opoelecronic head parameers of opoelecronic head laboraory sand. WPROWAZENIE W skład opoelekronicznych głowic śledzących wchodzą m.in.: kamery elewizyjne oraz kamery ermowizyjne. Przeznaczeniem akich kamer jes śledzenie obieków ruchomych. W wojskach obrony przeciwloniczej wyposażonych w armay przeciwlonicze i zesawy rakieowe zadaniem akich głowic jes auomayczne śledzenie celów powierznych i określanie ich współrzędnych kąowych w azymucie (ką poziomy) i elewacji (ką pionowy). Jeżeli głowice akie zosaną wyposażone w dalmierz laserowy o oprócz pomiarów kąów możliwe jes wykonywanie pomiarów odległości. Trzy współrzędne: azymu elewacja i odległość do celu jednoznacznie określają położenie obieku powierznego w przesrzeni. Opoelekroniczne głowice śledzące sosowane w przeciwloniczych zesawach aryleryjskich muszą charakeryzować się dużą dokładnością określania współrzędnych kąowych celu. Wysoka dokładność określania współrzędnych celu powierznego jes ważna z ego powodu iż współrzędne e są wykorzysywane do obliczenia współrzędnych punku wyprzedzonego i nasaw działowych. Cele powierzne przemieszczają się z dużymi prędkościami zaem śledzące je głowice muszą spełniać wysokie wymagania echniczno-akyczne. 4

2 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji. ANALIZA PRĘKOŚCI I PRZYPIEZEŃ GŁOWICY Wymagania akyczno-echniczne definiowane dla opoelekronicznych głowic śledzących wynikają bezpośrednio z możliwości akyczno-echnicznych celów powierznych. W celu sprawdzenia czy nowo projekowane głowice będą umożliwiać śledzenie celów w każdych warunkach akycznych należy porównać sawiane wymagania ego ypu głowicom z prędkościami i przyspieszeniami wysępującymi podczas lou celu powierznego przy konkrenych założeniach. la opoelekronicznych głowic śledzących wymagania akyczno- -echniczne doyczą: zakresu kąów obrou w azymucie i kącie elewacji prędkości kąowych w azymucie i elewacji przyspieszeń kąowych w azymucie i elewacji. Wymagania akyczno-echniczne doyczą eż możliwości wykrywania i śledzenia obieków powierznych charakeryzujących się konkrenymi paramerami lou przy zadanym usyuowaniu względem sanowiska ogniowego zesawu przeciwloniczego wyposażonego w akie głowice. Wymagania e są nasępujące: zasięg wykrywania obieku powierznego określonego ypu np. F-6 przez kamery: dzienną i ermowizyjną kąy pola widzenia dla kamer maksymalny błąd odchylenia osi opycznej kamery dziennej i ermowizyjnej przy zmianie kąa pola widzenia. Z doświadczeń związanych z realizacją prac z zakresu uzbrojenia przeciwloniczego wynika że nie zawsze wymagania akyczno-echniczne są spójne. W celu sprawdzenia czy wymagania echniczne dla opoelekronicznych głowic spełniają wymagania akyczne wykonano obliczenia prędkości oraz przyspieszeń kąowych w azymucie i elewacji. Przyjęo ruch prosoliniowy celu ze sałą prędkością v c = 3 ms paramer (najmniejsza odległość do kursu celu) równy 5 m oraz wysokość lou celu równą m (największe prędkości kąowe wysępują wówczas kiedy cel leci na małym paramerze). o wyliczania maksymalnych prędkości i przyspieszeń kąowych w azymucie i elewacji przyjęo syuację przedsawioną na rysunku (przyjęcie akiej szczególnej syuacji nie wpływa na maksymalne prędkości i przyspieszenia kąowe). Zgodnie z rysunkiem zależności pomiędzy wielkościami pokazanymi na rysunku można opisać nasępująco: H H d cos arcsin p P sin () d P P arcsin W kolejnych chwilach czasu wielkość będzie zmieniała się zgodnie z zależnością: vc () 4

3 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji 43 Wraz ze zmianą wielkości będą zmieniały się: odległość do celu współrzędne kąowe w azymucie elewacji oraz ich kąowe prędkości i przyspieszenia. H M A C H P m a c d p Vc b e o Kierunek zasadniczy 9 o b Rys.. Ogólny widok przesrzennego ruchu celu o wyliczenia zmiany prędkości kąowych i przyspieszeń opracowano program kompuerowy przy czym obliczenia przeprowadzono zgodnie z przedsawionym na rysunku algorymem.. sin arcsin cos arcsin d P p d d H P >P s s m m H P.. 5 H d p d P v c a rcsin arcsin : Pisz Rys.. Algorym wyliczania prędkości kąowych dla rozparywanego przypadku

4 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji Wyniki obliczeń przedsawiono na rysunkach 3-5. Rys. 3. Zmiana kąów azymuu i elewacji w funkcji czasu dla Vc = 3 ms H = m P = 5 m Przyspieszenie kąowe w azymucie [sops ] Rys. 4. Zmiana przyspieszenia kąowego azymuu w funkcji odległości dla Vc = 3 ms H = m P = 5 m 44

5 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji Przyspieszenie kąowe w elewacji [sops ] Rys. 5. Zmiana przyspieszenia kąowego elewacji w funkcji odległości dla Vc = 3 ms H = m P = 5 m la rozparywanej głowicy we wsępnych założeniach akyczno-echnicznych określono maksymalne prędkości kąowe dla azymuu i kąa elewacji równe 5 [rads] oraz przyspieszenia równe 5 [rads ]. Analizując uzyskane wyniki obliczeń przedsawione na wykresach 3-5 można swierdzić że dla rozparywanego przypadku wymagane maksymalne prędkości kąowe i przyspieszenia zapewnią śledzenie celu dla parameru P = 5 m i prędkości celu v c = 3 [ms]. 3. PRAWZENIE NIETAŁOŚCI POŁOŻENIA OI OPTYCZNEJ PRZY ZMIANIE KĄTA POLA WIZENIA prawdzenie zarówno kąów pola widzenia jak i niesałości osi opycznej można proso zrealizować wykonując odpowiednią arczę kóra będzie umieszczana w odpowiedniej odległości przed kamerami. Ze względu na o że obie kamery mają różne maksymalne warości niesałości osi opycznej należałoby wykonać dwie arcze (po jednej dla każdej z kamer). Rysunki na arczy dla kamery ermowizyjnej powinny być pokrye farbą w celu zwiększenia konrasu pomiędzy łem a rysunkiem w zakresie długości fal w kórych pracuje kamera. Rysunek 6 przedsawia zależności pomiędzy promieniem pola na odległości oraz kąem pola widzenia. 45

6 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji Rys. 6. Zależność pomiędzy promieniem pola widzenia na odległości i kąem pola widzenia Z rysunku 6 widać że średnice okręgów wyznacza się z zależności: gw (3) gw gdzie: w w kąy pola widzenia dla wąskiego i szerokiego pola widzenia. zerokość linii okręgu będzie równa w w gw g (4) Z powyższych wzorów wynika że w celu sprawdzenia kąów pola widzenia głowicy dziennej należy umieścić przed nią arczę z rysunkiem dwóch okręgów współśrodkowych o średnicach wyliczonych z zależności. We wsępnych wymaganiach akyczno-echnicznych dla kamery dziennej i ermowizyjnej określono: szeroki ką pola widzenia dla kamery dziennej w = o dla ermowizyjnej w = 9 o wąski ką pola widzenia w = 3 o maksymalnie dopuszczalne przesunięcie osi przy zmianie kąa pola widzenia dla kamery dziennej 3mrad. naomias dla kamery ermowizyjnej 5mrad. W celu ławego sprawdzania warunku zmiany osi przy przełączaniu kąów pola widzenia należy na arczy nanieść okręgi o szerokości odpowiadającej maksymalnemu błędowi (rys. 7). 46

7 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji F F Rys. 7. Ogólny widok arczy do sprawdzania kąów pola widzenia i niesałości osi opycznej przy zmianie kąa pola widzenia 4. OKREŚLENIE PARAMETRÓW ŹRÓŁA LA WYBRANYCH OLEGŁOŚCI Zgodnie z dokumenacją głowicy CM3LR będącej zasadniczym komponenem budowanej opoelekronicznej głowicy śledzącej kamera ermowizyjna ma nasępujące cechy: zakres fal o długości 3 5 μm maryca deekorów Inb o wymiarach 384 x 56 dwa kąy pola widzenia w = 9 o i w = 3 o średnica obiekywu 45 mm. la powyższej kamery zasięg wykrywania sandardowego celu NATO (3 x 3 m) w dobrych warunkach pogodowych powinien wynosić ponad 7 km. Wykorzysując opracowany program do wyliczania srumienia progowego docierającego do układu odbiorczego z uwzględnieniem współczynnika przepuszczania amosfery wyliczono srumienie od sandardowego celu znajdującego się na różnych odległościach [-4]. Obliczenia wykonano dla nasępujących warunków meeorologicznych: emperaura powierza po = 5 o C wilgoność względna równa 7% zasięg meeorologicznego widzenia L widz = km emperaura celu źr = 35 o C. Wyniki obliczeń przedsawiono w posaci wykresu (rys. 8). 47

8 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji.5e- e-.5e- e-.5e [km] Rys. 8. Zależność docierającego do układu odbiorczego kamery srumienia w funkcji odległości do celu Unormowany srumień progowy deekora Inb wynosi: * W pr 3 (5) cm Hz a powierzchnia pojedynczego elemenu mozaiki deekora jes równa: m 65 m 6.5 m Pasmo przepuszczania oru elekronowego przyjęo równe MHz srumień progowy każdego z elemenów deekora jes równy: pr * pr s de f. (6) Podsawiając obliczone powyżej wielkości do zależności (6) orzymano: pr W Z warości pr i wykresu (rys. 8) wynika wniosek że rzeczywiście do odległości 7 km docierający srumień progowy przewyższa srumień docierający od celu. o badania jakości śledzenia kamery ermowizyjnej zasosowano model ciała doskonale czarnego o regulowanej emperaurze do o C. Średnica czynna ego ciała wynosi c = 34 m. Model ciała doskonale czarnego można więc umieszczać w warunkach laboraoryjnych na odległościach w przedziale 5 m od badanej kamery. Przy czym przy ak niewielkich 48

9 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji odległościach można pominąć łumienie amosfery. Za pomocą opracowanego programu wyliczono srumienie docierające do układu odbiorczego kamery i efekywnie wykorzysywane przez deekory z różnych odległości dla danych: emperaura źródła źr = o C oraz średnicy źródła = 5 m. Ponieważ oryginalne źródło (będące wyposażeniem sanowiska) ma średnicę równą 45 m należy zamonować przysłonę z maeriału o małej pojemności cieplnej. Na rysunku 9 przedsawiono zależność docierającego do układu odbiorczego kamery i efekywnie wykorzysywanego srumienia od modelu ciała doskonale czarnego w funkcji odległości do źródła..5e- e-.5e- e-.5e [m] Rys. 9. Zależność docierającego do układu odbiorczego kamery i efekywnie wykorzysywanego srumienia od modelu ciała doskonale czarnego w funkcji odległości do źródła Z analizy wykresu (rys. 9) widać że ciało doskonale czarne z dodakową przysłoną o średnicy 5 mm należy umieścić w odległości od do m przed badaną głowicą. Wykrywanie promieniowania w akiej syuacji będzie świadczyć o wysarczającej czułości kamery ermowizyjnej. 5. TANOWIKO BAAWCZE W ramach prowadzonych prac badawczo-rozwojowych opracowano sanowisko laboraoryjne. Opracowany w wirualnym środowisku (rys. ) model sanowiska pozwolił na powierdzenie założonej koncepcji oraz założeń konsrukcyjnych []. Nasępnie sanowisko zesawiono i uruchomiono (rys. i ). 49

10 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji Rys.. Widok wirualnego sanowiska badawczego: sanowisko do imiacji obieku powierznego szafa serownicza 3 wieloosiowa plaforma (nosiciel głowicy śledzącej) 4 opoelekroniczna głowica śledząca 5 sanowisko operaora Rys.. Ogólny widok głównych elemenów sanowiska: a) manipulaor IRB b) konroler IRC5 Compac c) wieloosiowa plaforma d) układ serowania plaformą 5

11 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji 6. WNIOKI Prowadzenie prac badawczych związanych z obliczeniami zasięgów wykrycia obieków powierznych przez nowo konsruowane opoelekroniczne głowice śledzące zwłaszcza w przypadku kamer ermowizyjnych pozwala wsępnie określić paramery jakimi powinny się one charakeryzować a w szczególności m.in.: zakres ich pracy dla danego zasosowania rozdzielczość mozaiki deekorów średnicę obiekywu oraz kąy pola widzenia. Z kolei worzenie sanowisk laboraoryjnych umożliwiających zbadanie opracowywanych głowic umożliwia powierdzenie rozważań eoreycznych bez konieczności przeprowadzania badań erenowych na począkowym eapie prac. Niemniej jednak badań ych nie powinno rakować się jako osaecznych. Końcowym eapem w przypadku konsruowania demonsraorów czy prooypów powinny być badania erenowe powierdzające wcześniejsze rozważania eoreyczne oraz esy laboraoryjne. Wyznaczone graniczne prędkości i przyspieszenia źródła promieniowania oraz jego emperaury na porzeby sanowiska laboraoryjnego zosały wykonane w odniesieniu do oczekiwań gesora zawarych we wsępnych założeniach akyczno-echnicznych. Z analizy wykresu przedsawionego na rysunku wynika że ciało doskonale czarne z dodakową przysłoną o średnicy 5 mm należy umieścić w odległości od do m przed badaną głowicą. Wykrywanie promieniowania w akiej syuacji będzie świadczyć o wysarczającej czułości kamery ermowizyjnej. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w laach - jako projek rozwojowy. LITERATURA [] ABB: User guide for Roboudio Vaseras weden. [] Borowczyk W. Kaczmarek W. Panasiuk J.: Wyliczanie zasięgów działania głowicy opoelekronicznej dla różnych kąów pola widzenia w różnych warunkach meeorologicznych XVI Międzynarodowa zkoła kompuerowego wspomagania projekowania wywarzania i eksploaacji Juraa 4-8 maja r. om s [3] Haris.C.: Infrared Window and ome Maerials PIE Opical Engineering Press 99. [4] ZII ources of Radiaion The Infrared and Elecro-Opical ysems Hand-book vol

12 MECHANIK 73 XVII Międzynarodowa zkoła Kompuerowego Wspomagania Projekowania Wywarzania i Eksploaacji 5