Focos láser infrarrojos.

Focos láser infrarrojos.

ARKHUTIK Stepan Trofimovich,
VOLKOV Viktor Genrikhovich, candidato de ciencias técnicas, profesor asociado
KOZLOV Konstantin Valerievich
SALIKOV Vyacheslav Lvovich
EL UCRANIANO Sergey Alekseevich

FOCOS LÁSER INFRARROJOS

Un dispositivo de visión nocturna (NVD) debe funcionar no solo en modo pasivo, sino también en modo activo con iluminación de foco para garantizar el alcance requerido en noches particularmente oscuras.

Propuesta de reemplazo de focos de infrarrojos (IR) La radiación de lámparas incandescentes y lámparas de descarga de gas a un reflector unificado de pequeño tamaño (tipo PL-1) basado en un emisor semiconductor láser pulsado eficaz (ILPI), permite no solo aumentar el rango de visibilidad en el modo de funcionamiento activo. , sino también para aumentar la inmunidad al ruido y la eficiencia del complejo en condiciones generales de funcionamiento.

La ventaja de utilizar el reflector PL-1 es la capacidad de implementar el modo de pulso activo de operación NVD [1].

El reflector PL-1 es una nueva generación de iluminación IR Fuentes basadas en el ILPI. Contiene un único bloque que combina funcionalmente un ILPI, una fuente de alimentación (unidad de bombeo ILPI) y un sistema óptico de formación, así como un sistema de calentamiento de vidrio protector.

El foco PL-1 forma un punto de radiación rectangular conveniente para el operador con una distribución uniforme del brillo energético de la radiación, mientras que los focos de las lámparas forman una distribución en forma de campana (Fig. 1).

El proyector PL-1 se caracteriza por un menor consumo de energía y una mayor vida útil en comparación con sus homólogos existentes, además de tener menos peso y dimensiones [2]. En particular, el foco PL-1 tiene una masa de 7,0 kg, dimensiones 246x174x177 mm, consumo de energía 50 W, mientras que el foco de lámpara L4 tiene parámetros similares, respectivamente 20,5 kg, W300x280 mm, 400 W.

Esto elimina defectos de los focos de lámpara como explosión de la lámpara, falta de encendido, inestabilidad del brillo, destrucción del reflector y del filtro de luz cuando la lámpara explota, etc. Los principales parámetros de los focos láser basados ​​en ILPI se detallan en Mesa. 1.

Fig. 1. Distribución de intensidad y forma del punto
de la iluminación del iluminador IR

Como resultado de las pruebas de campo de NVD basados ​​en tubos intensificadores de imagen de generación II+ y III, con una lente con una distancia focal de 150 mm y una apertura relativa de 1:1,7, se estableció que el rango de reconocimiento del objetivo durante la noche, con un coeficiente de transparencia atmosférica por 1 km de al menos 0,8 y el nivel de iluminación nocturna natural del área (3 — 5) x 10-3 lux correspondieron a: 1100 m — 1200 m en modo pasivo y 1200 m — 1300 m en modo activo modo con el foco PL-1. Esto no es peor que cuando se utiliza una lámpara de iluminación IR L4.

Cabe destacar también la buena correspondencia espectral del proyector láser PL-1 con el fotocátodo del intensificador de imagen de generación II+ y III. Al mismo tiempo, debido a la disminución del contraste de la imagen debido al efecto de retrodispersión de la radiación de iluminación, es necesario utilizar un modo de funcionamiento de pulso activo en los NVG.

Además de aumentar el rango de reconocimiento a 2 km, la presencia de un modo de pulso activo le permite aumentar el grado de protección contra la interferencia de la luz local, proporcionar observación en condiciones de transparencia atmosférica reducida y medir con precisión la distancia al objeto de observación.

El reflector submarino -1 funciona en modo de pulso, lo que cumple con los requisitos para la implementación del modo de funcionamiento de pulso activo de los dispositivos de visión nocturna. Se requiere una modificación menor del foco para garantizar la sincronización con la unidad estroboscópica NVD.

El foco está fabricado sobre la base de ILPI tipo ILPI-114 con los siguientes parámetros: potencia de radiación promedio de 0,2 W (a la salida de la óptica del iluminador — 0,15 W) en un cono con un ángulo de vértice de 400, longitud de onda de funcionamiento — 850 nm , pulsos de iluminación con frecuencia de repetición máxima operativa: 5,2 kHz, duración del pulso de radiación: 130 ns, corriente de bomba operativa por pulso: 50 A a una resistencia de 3,2 ohmios.

El diseño óptico del foco se muestra en la Fig. 2. ILPI 1 crea un flujo de radiación. El filtro 2 está diseñado para corregir el espectro de radiación de ILPI 1 para reducir el desenmascaramiento de un foco en funcionamiento.

El alcance de visión de la radiación del iluminador de infrarrojos a simple vista no supera los 200 m.

La lente 3 se utiliza para formar un punto de iluminación del tamaño requerido. Tiene una distancia focal de 114,5 mm con una apertura relativa de 1:1,4.

La forma rectangular del punto de iluminación está determinada por la forma del cuerpo de luminiscencia ILPI 1.

Fig. 2. Diseño óptico del iluminador IR PL-1:
1 – emisor semiconductor láser pulsado;
2 – filtro;
3 – lente;
4 – vidrio protector

Se debe prestar especial atención a la cuestión de la óptica de generación de radiación de un foco láser [2]. En el caso más sencillo, se puede utilizar como óptica la lente anterior, diseñada para una aberración esférica mínima (Fig. 2).

Esta óptica es simple, pero debido a importantes aberraciones, la radiación se dispersa fuertemente fuera de un ángulo de iluminación determinado, lo que conduce a pérdidas de energía que alcanzan el 25 — 30%.

Para reducir las aberraciones y aumentar la eficiencia. En óptica, se pueden recomendar lentes con una superficie asférica (Fig. 3) [2]. Pero para reducir aún más la masa de la lente, una de las superficies ópticas se puede hacer kinoforme (Fig. 4). Estas lentes tienen una distancia focal de 115 mm (Fig. 4a) y 245 mm (Fig. 4b) y una apertura relativa de 1:1,25 (Fig. 4a) y 1:1,4 (Fig. 4b). El círculo de dispersión es para lentes según la fig. 3a 0,25 mm, según Fig. 3b — 0,17 mm, según Fig. 4a – 0,1 mm, Fig. 4b 0,2 mm.

Cuando se utilizan lentes con una superficie kinoforme, se logra una masa mínima con aberraciones mínimas. Específicamente para la lente de la Fig. 4a, la masa en vidrio es 0,446 kg y según la Fig. 4b – 1,2 kilos. Además, las lentes que se muestran en la Fig. 4 están hechos de vidrio K8 no escaso.

Las pérdidas de energía por radiación debidas a aberraciones no superan el 10%. Para trabajar en diferentes rangos, es recomendable cambiar el ángulo de iluminación en consecuencia, lo que puede asociarse funcionalmente con un cambio correspondiente en el retardo de tiempo en el AI NVD.

Para esto , en lugar de una lente, se puede utilizar una lente variable con una distancia focal continuamente variable (Fig. 5) [2].

Su distancia focal varía de 60 mm a 240 mm con una apertura relativa de 1:1,4.

El ángulo de iluminación varía en consecuencia de 6×30 a 1,5×0,750. El peso de la lente de cristal es de 3,2 kg, dimensiones W180x354,5 mm.

Fig. 3. Lentes asféricas para generar radiación desde un foco IR:
a – lente con una superficie parabólica;
b – lente con una superficie hiperbólica

Arroz. 4. Lente para generar radiación desde un foco IR con una superficie kinoforme: con una distancia focal de 115 mm (a) y 245 mm (b); Superficie kinoforme

Fig. 5. Diagrama de lentes variables

El diagrama funcional del foco PL-1 se muestra en la Fig. 6. El filtro de ruido de baja frecuencia está diseñado para suprimir el ruido en el circuito de alimentación durante el funcionamiento de la fuente de alimentación ILPI. El filtro reduce el nivel de interferencia a valores que no afectan el funcionamiento normal de la estación de radio y el intercomunicador del lugar de instalación del proyector.

La fuente de alimentación ILPI está diseñada para generar pulsos de corriente de la bomba ILPI. La fuente de alimentación dispone de un sistema de control de la amplitud de los pulsos de corriente de la bomba en función de la temperatura ambiente. La amplitud se ajusta individualmente para cada ILPI específico de acuerdo con sus características de temperatura.

El diseño del foco se muestra en la Fig. 7. Sus componentes principales son la carrocería 1, la parte trasera 2 y la cubierta protectora 3.

B El cuerpo del foco está equipado con un ILPI 4, un filtro de luz 5 en un marco, una lente 6 en un marco , una fuente de alimentación 7 ILPI, un desecante 10 y un termostato 12. La parte frontal de la carcasa está cubierta con un cristal protector 8 en un marco.

Para proteger el cristal 8contra el empañamiento y la escarcha, se utiliza un termostato en combinación con un elemento calefactor con un revestimiento conductor aplicado a la superficie interior del vidrio 8.

En el En la tapa 2 se instala un estrangulador 9, que es un filtro de paso bajo. La cubierta protectora 3 en estado cerrado y abierto se fija al cuerpo con un tornillo 11.

Todos los sistemas de iluminación funcionan con una tensión de red de a bordo de 27+2-5 V y también permanecen operativos después de la exposición a una sobretensión de impulso con una amplitud de hasta 70 V con una duración de hasta 3 ms. Reducir el voltaje de a bordo a 10 V por hasta 1 minuto, así como después de la exposición a un voltaje de polaridad inversa de 30 V por hasta 1 minuto.

Fig. 6. Diagrama funcional del iluminador IR PL-1

Fig. 7. Diseño del iluminador IR PL-1:
1 – cuerpo;
2 – cubierta;
3 – cubierta protectora;
4 – emisor láser;
5 – filtro en el marco;
6 – lente en el marco;
7 – fuente de alimentación;
8 – vidrio protector;
9 – acelerador;
10 – desecante;
11 – tornillo;
12 – termostato

Un desarrollo adicional del circuito de reflectores PL-1 deben considerarse los reflectores láser OU-6 y OU-6-01 (Tabla 1). Su importante ventaja es la capacidad de seguir el eje óptico del NVD horizontal y verticalmente. Esto se logra mediante un accionamiento electromecánico. En este caso, la retención automática de un objeto de observación que se mueve a lo largo del frente dentro del punto de iluminación se puede realizar mediante la formación de puntos de iluminación auxiliares ubicados a lo largo del perímetro del punto principal. Para hacer esto, se deben ubicar cuatro ILPI auxiliares alrededor del perímetro del ILPI principal. Su frecuencia de funcionamiento debe ser insignificante en comparación con la frecuencia de funcionamiento del ILPI principal, para que el operador no vea estos puntos de iluminación a través de los dispositivos de visión nocturna.

Sea la frecuencia de los ILPI auxiliares ubicados a la izquierda y a la derecha del ILPI principal 3 Hz y 5 Hz, respectivamente, y los ubicados arriba y debajo del ILPI principal: 7 Hz y 9 Hz, respectivamente. En este caso, se instala un fotodetector en la salida del NVD para registrar señales con estas frecuencias. El fotodetector está conectado a un comparador que, a través de un registro de control, está conectado al accionamiento para mover el eje del foco horizontal y verticalmente.

Supongamos que el objeto de observación se ha desplazado hacia el a la derecha del punto de luz de fondo formado por el ILPI principal.

Entonces el objeto caerá en el punto de iluminación generado por el ILPI auxiliar con una frecuencia de funcionamiento de 5 Hz. El fotodetector recibirá esta señal de la pantalla intensificadora de imágenes y la convertirá en una señal eléctrica, que irá al comparador.

Este último generará una señal de diferencia en relación a la frecuencia del ILPI principal y controlará, a través de un registro, el funcionamiento del variador en el sentido de eliminar la señal con una frecuencia de 5 Hz. Esto sucederá cuando el objeto esté nuevamente dentro del punto resaltado principal.

El accionamiento se controla de forma similar cuando un objeto choca contra otros puntos de iluminación auxiliares. De este modo, el variador sigue el objeto de observación, asegurando su posición constante dentro del punto de iluminación principal.

Tabla 1.

Para aumentar el poder del foco, puedes hacerlo de dos maneras:

• creación de un foco basado en el principio de un módulo de grupo” [2];
• combinando en un foco la radiación de dos ILPI que difieren en espectro [2].

“Un módulo de grupo consta de dos o más ILPI con una lente individual, formando módulos estándar. Sus ejes ópticos son mutuamente paralelos, de modo que la radiación de los módulos se resume en un único ángulo de iluminación igual al ángulo de iluminación de un módulo. En la foto 1 se muestra un ejemplo de un foco de dos módulos. El foco fue desarrollado por la Oficina Central de Diseño de Tochpribor para el NVD 1PN61 de pulso activo [3].

Foto 1. Iluminador láser IR de dos módulos
para NVD 1PN61 [3]

Este foco se puede combinar de dos a cuatro módulos. Al mismo tiempo, las dimensiones, el peso y el consumo de energía del proyector aumentarán en proporción al número de módulos, pero no superarán los parámetros similares del prototipo de proyector L4. Es posible utilizar lentes con una distancia focal más corta en un foco de cuatro módulos. Esto permitirá, manteniendo la misma energía luminosa, aumentar el ángulo de iluminación del foco, lo que mejorará las capacidades de búsqueda con iluminación normal sin el uso del modo de funcionamiento NVD de pulso activo. Al mismo tiempo, las dimensiones y el peso del foco aumentarán ligeramente.

Para aumentar la potencia de radiación prácticamente sin cambiar las dimensiones del foco, se puede utilizar el segundo camino, cuyo diagrama se muestra en la Fig. 8. Aquí, debido al uso de un espejo 3 con revestimiento dicroico, se suma la radiación de ambos ILPI 2 y 4, generando radiación en diferentes longitudes de onda. La lente 1 enfocada en ambos ILPI, cubre su radiación y forma un punto de iluminación. Las pérdidas en el espejo 3 no superan el 10 — 15%. Características espectrales del revestimiento dicroico del espejo 3se da en la Fig. 9. Gracias a este esquema, solo aumentará el consumo de energía del foco. Dado que ILPI con una longitud de onda de 820 nm puede aumentar el desenmascaramiento del reflector, es posible utilizar ILPI con una longitud de onda de 880 nm. En este caso, la sensibilidad del fotocátodo del tubo intensificador de imagen a esta longitud de onda será 1,5 veces menor que para una longitud de onda de 850 nm. Por lo tanto, la eficiencia de la potencia de radiación de dicho foco será menor, a menos que se utilice en un tubo intensificador de imagen NVD de generación III+, cuya sensibilidad espectral se extiende hasta 1,2 μm y la diferencia de sensibilidad en longitudes de onda de 850 y 880 nm será insignificante. 4]. En principio, es posible una combinación de ambos caminos propuestos, lo que aumentará considerablemente la potencia de radiación del foco y el ángulo de su iluminación.

Fig. 8. Iluminador láser con una sola lente para dos ILPI:
1 – lente de generación de radiación;
2 – ILPI con una longitud de onda de 850±10 nm;
3 – espejo dicroico, que refleja en el rango de longitud de onda 840 – 920 nm, pero transmite a una longitud de onda de (820-20) nm;
4 – ILPI con una longitud de onda de (820-20) nm

Fig. 9. Características espectrales del revestimiento dicroico de un espejo:
1 – transmisión del revestimiento en la región espectral de 800 – 820 nm;
2 – reflexión en la región espectral de 840 – 900 nm