eng
Выпуск #6/2021
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
Особенности приборов солнечно-слепого УФ-диапазона спектра
Особенности приборов солнечно-слепого УФ-диапазона спектра
Просмотры: 3428
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.6.502.524
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов, имеющих рабочий спектральный диапазон от 0,25 до 0,3 мкм, получивший название солнечно-слепой ультрафиолет, так как солнечное излучение указанных длин волн практически не достигает земной поверхности. Этот класс приборов функционируют даже в условиях работы против Солнца, что недоступно никакой другой системе. В статье, наряду с особенностями приборов солнечно-слепого УФ-диапазона, приведены варианты приборов для различных сфер применения.
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов, имеющих рабочий спектральный диапазон от 0,25 до 0,3 мкм, получивший название солнечно-слепой ультрафиолет, так как солнечное излучение указанных длин волн практически не достигает земной поверхности. Этот класс приборов функционируют даже в условиях работы против Солнца, что недоступно никакой другой системе. В статье, наряду с особенностями приборов солнечно-слепого УФ-диапазона, приведены варианты приборов для различных сфер применения.
Теги: flash sensor solar blind uv direction finder uv range uv targeting systems датчик вспышки солнечно-слепой уф-диапазон уф-пеленгатор уф-системы наведения
Особенности приборов солнечно-слепого УФ-диапазона спектра
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
ОАО «Ростовский оптико-механический завод, Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод», Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов, имеющих рабочий спектральный диапазон от 0,25 до 0,3 мкм, получивший название солнечно-слепой ультрафиолет, так как солнечное излучение указанных длин волн практически не достигает земной поверхности. Этот класс приборов функционируют даже в условиях работы против Солнца, что недоступно никакой другой системе. В статье, наряду с особенностями приборов солнечно-слепого УФ-диапазона, приведены варианты приборов для различных сфер применения.
Ключевые слова: солнечно-слепой, УФ-диапазон, УФ-пеленгатор, УФ-системы наведения, датчик вспышки
Статья поступила в редакцию: 14.08.2021
Статья принята к публикации: 10.09.2021
Атмосфера Земли в стратосфере на высоте 25–30 км имеет полосу поглощения озона в области ультрафиолетового (УФ) спектра 0,25–0,3 мкм. Поэтому УФ-излучение Солнца не доходит до поверхности Земли, образуя в низких слоях атмосферы, а именно в тропосфере, так называемую «солнечно-слепую» зону. В этой зоне солнечное излучение указанных длин волн практически не достигает земной поверхности, а прозрачность оптических трасс отличается от нулевой.
Оптико-электронные системы, имеющие солнечного-слепой УФ-рабочий спектральный диапазон, функционируют даже в условиях работы против Солнца, что недоступно никакой другой системе [1]. Например, в оптико-электронных системах видимого и инфракрасного (ИК) спектральных диапазонов при работе против Солнца интенсивное солнечное излучение попадает на светочувствительную область фотоприемного устройства и создает сильные помехи или же выводит из строя весь прибор [2, 3].
Рассмотрим особенности приборов солнечно-cлепого УФ-диапазона для разных применений.
1. УФ-пеленгаторы
Наиболее широкое применение приборы солнечного-слепого УФ-спектра в виде УФ-пеленгаторов нашли в системах противодействия террористическим атакам в составе комплексов бортовой обороны не только военных, но и гражданских авиабортов [4].
С их помощью экипажи могут получать предупреждения о приближении ракет по обнаружению следов их ракетных двигателей. Обеспечивая скорости от 600 до 1 400 м / с, двигатели ракет выбрасывают струю выхлопных газов, разогретых до высоких температур, которые представляют собой высокотемпературные источники, ионизирующие воздух с образованием излучения УФ-спектра [5].
Один из вариантов УФ-пеленгатора разработан на предприятии ПАО «РОМЗ». Конструктивное решение с традиционным размещением функциональных узлов в едином корпусе представлено на рис. 1.
Прибор содержит узкополосный светофильтр, УФ-объектив, датчик УФ-излучения УФК‑2, дополнительные датчики, к которым относятся приемник GPS / ГЛОНАСС, компас, альтиметр (высотомер) и электронные блоки для обработки и выдачи сигнальной информации.
При такой комплектации УФ-пеленгатор в составе бортового комплекса обеспечивает измерение трехмерных координат источников УФ-излучения, а именно: определение широты, долготы и высоты над поверхностью Земли.
Датчик УФ-излучения представляет собой фотоэлектронный умножитель отечественного производства УФК‑2, преобразующий электромагнитное излучение оптического диапазона с длинами волн от 210 до 350 нм в электрический сигнал. Он имеет полупрозрачный фотокатод на основе гетероэпитаксиальных наноструктур соединений GaN / AlN, выращенных на подложке из сапфира, систему умножения, состоящую из двух микроканальных пластин, и четырехсекторный анод с четырьмя отдельными выводами, который позволяет определить центр электронной лавины, формируемой двумя микроканальными пластинами даже в случае попадания на фотокатод всего одного фотона.
Именно центр лавины считается координатой попадания фотона на фотокатод.
Координату определяют по соотношению напряжений, эквивалентных зарядам на каждом аноде, согласно следующим формулам:
X = (U1 + U4 – U2 – U3) / (U1 + U2 + U3 + U4 + UФЭ),
Y = (U1 + U2 – U3 – U4) / (U1 + U2 + U3 + U4 + UФЭ),
где: Ui – напряжения, снимаемые с i-го квадранта коллектора.
Функциональная схема варианта УФ-пеленгатора представлена на рис. 2.
Функционирование системы происходит следующим образом. Токовые сигналы с анодов УФК‑2 подаются на трансимпедансные усилители, преобразующие ток в напряжение.
С выходов усилителей сигналы поступают на дифференциальные усилители, формирующие парафазные сигналы, необходимые для согласования с уровнями трех дифференциальных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллера STM32H743IGT6 с мультиплексированием входных аналоговых каналов. Использование дифференциальных каналов 16‑ти разрядного АЦП позволяет уменьшить шум преобразования от цифровой земли микроконтроллера.
В режиме 14‑ти разрядов АЦП максимальная частота преобразования равна 4 МГц, а при распределении входных мультиплексных каналов по три канала на каждый АЦП максимальная частота преобразования всех каналов составляет 4 / 3 МГц.
Следует обратить внимание, что микроконтроллер имеет максимальную тактовую частоту 480 МГц, достаточную для использования программного обеспечения без операционной системы (ОС). Для связи с внешними системами используются два интерфейса: CAN или Ethernet 10 / 100. Микроконтроллер с помощью двух последовательных интерфейсов USART (RS232) связан с приемником космической навигационной системы ГЛОНАСС / GPS / GALILEO / QZSS / SBAS модулем GeoS‑5M.
В гражданских применениях солнечно-слепой УФ-пеленгатор может быть эффективен в составе беспилотного комплекса, решающего задачи фиксации дефектных мест высоковольтных линий электропередач по возникновению коронных разрядов, спектр свечения которых показан на рис. 3.
Расчет объектива УФ-пеленгатора основан на спектральной характеристике свечения коронного разряда, и окончательный вариант схемы реализован с применением следующей линейки материалов: фтористого кальция, кварцевого стекла и сапфира.
Узкополосный оптический УФ-фильтр блокирует спектр солнечного излучения и выделяет солнечно-слепой участок УФ-спектра с Δλ = (0,24–0,28) мкм.
Основные технические характеристики УФ-пеленгатора:
Четыреханодный умножитель УФК‑2 обладает высокими параметрами. Так, усиление порядка 106 и более раз открывает широкие возможности для обнаружения слабых сигналов, а заявленная точность определения угловых координат ±0,5° является вполне достаточной для многих практических применений.
Для проведения специализированных измерений, требующих кардинального повышения точности определения координат, предприятие «Производственно-технический центр «УралАлмазИнвест» предложило новую, конструктивно упрощенную схему позиционно-чувствительного фотоприемника на основе алмаза, обладающую уменьшенными габаритными размерами.
На рис. 5 показана схема квадратного расположения контактов приемного элемента такого четырехконтактного позиционно-чувствительного фотоприемника с обозначением «привязки» координат его точек и пятна засветки. Приемник является полностью аналоговым прибором и мгновенно срабатывает на засветку. Разрешение прибора зависит от разрешения оптики и равномерности свойств фоточувствительного материала по площади. Прием сигнала, его оцифровка и определение координат занимает минимальное количество времени и не требует больших вычислительных мощностей, так как в отличие от матрицы 1 000 × 1 000 элементов обрабатывается всего одна, заранее известная, единственно нужная точка изображения.
Характерной особенностью канала пеленгации с использованием ФЭУ является способность точного определения координат только одной опасной цели. При наличии нескольких целей их одновременное положение не определяется, а обработка сигнала становиться невозможной.
В связи с этим безусловный интерес представляет разработка УФ-фотоприемника ЭОП архитектуры на основе новой конструкции твердотельного спектрального преобразователя УФ-изображения диапазона 20–270 нм в изображение диапазона (738 ± 10) нм и в видимое изображение, проведенная предприятиями НИУ МИЭТ и ООО «МЭЛЗ ФЭУ» (рис. 6).
На рис. 6а показана конструкция вакуумного эмиссионного приемника: 1 – вакуумно-плотный металло-керамический корпус, 2 – входное окно, выполненное на основе алмазной пластины, насыщенной с внешней стороны SiV центрами как минимум до толщин ~α–1 (α – коэффициент поглощения света в рабочем спектральном диапазоне), 3 – фотокатод, чувствительный в спектральном диапазоне ~730–740 нм и сформированный на тыльной стороне пластины алмазного входного окна, 4 – микроканальная пластина (МКП), 5 – катодолюминесцентный экран (КЛЭ), 6 – волоконно-оптическое стекло (ВОС).
На рис. 6b представлено фото УФ-фотокатод сетчатого типа на основе алмазной пленки, на рисунке 6с – фото УФ ЭОП в корпусе 2+ поколения с алмазным фотокатодом, на рисунке 6d – видимое изображение преобразованного УФ-излучения широкоапертурного пучка от источника ДДС‑30 (0,18–0,28 мкм).
Изображение объекта проецируется на входное окно 2 и поглощается в объеме сенсорно-преобразовательного слоя входного окна (алмазная пленка с SiV-центрами на любом материале входного окна ЭОП, прозрачном для излучения 730–740 нм), где в плоскости алмазной пластины генерируются пропорционально освещенности неравновесные электроны и дырки. Последние, захватываясь SiV-центрами, излучательно рекомбинируют с рождением квантов света длиной волны ~738 нм. Их число пропорционально интенсивности распределения входного УФ-изображения в плоскости входного окна ЭОП.
Результатом взаимодействия является прямое пропорциональное спектральное преобразование УФ-картины изображений в оптическое изображение на длине волны в 738 нм.
Полученное изображение объекта попадает на фотокатод 3, осажденный на тыльной стороне входного окна 2 и имеющий высокую квантовую эффективность с максимумом чувствительности в диапазоне 730–740 нм, который пропорционально преобразует его в двумерное изображение в фотоэлектронах. Фотоэлектроны двумерного изображения ускоряются полем, их энергия и число пропорционально преобразуются МКП 4 во вторичные электроны, затем вторичные электроны картины изображения ускоряются полем в каналах МКП, испытывая вторичные умножения их числа, и, выходя из каналов МКП, ускоряются и направляются на КЛЭ 5, преобразующий усиленную картину изображений во вторичных электронах в оптическое изображение в видимой части диапазона, выводимое из УФ ЭОП через ВОС 6.
Минимально разрешаемая величина такого УФ ЭОП может составлять доли микрона, а точность пеленгации с его помощью многократно возрастает. При этом становится возможным определение координат не одной, а множества опасных целей.
Принцип регистрации источника излучения в солнечно-слепом УФ-диапазоне можно оценить по характерным кадрам специальной видеосъемки (рис. 7).
На рисунке представлены результаты работы ТВ камеры, чувствительной к УФ- и видимой части спектра. Верхний снимок демонстрирует работу солнечно-слепого канала, не реагирующего на солнечное излучение, так как кадр получен в темноте, и наблюдается непосредственно только тот участок с коронным разрядом. На нижнем снимке выведено изображение того же самого участка при солнечной засветке. Учитывая, что ТВ камера воспринимает и видимый спектр, это дает представление еще и об окружающей обстановке в том виде, в котором она воспринимается при визуальном наблюдении.
Пеленгаторы, работающие в УФ-части спектра, значительно дешевле ИК-пеленгаторов, не требуют охлаждения и, как уже было сказано выше, менее подвержены действию помех от солнечного излучения, так как оно поглощается слоем озона в верхних слоях атмосферы (полоса Гартлея).
Появление авиационных УФ-пеленгаторов привело разработчиков к мысли о возможности введения УФ-пеленгаторов атак в состав танковых комплексов защиты, и в 2000–2006 годах на Западе были предприняты попытки разработки таких приборов [7].
В процессе испытаний удавалось зарегистрировать импульс срабатывания стартового ускорителя противотанковых управляемых ракет (ПТУР) Міlаn, но не было устойчивого слежения за работой маршевого двигателя.
Это связано с тем, что, в отличие от авиационных ракет, ПТУР имеют скорости ~500 м / c, а состоящие на вооружении старые типы – менее 300 м / с. Их энергетика почти на порядок слабее, чем у зенитных и авиационных ракет. Пик излучения факела смещен в более длинноволновую область, к тому же присутствующее на срезе сопла УФ-излучение экранируется элементами корпуса летящей прямо на танк ракеты.
Регистрация только импульса старта недостаточно информативна, так как не позволяет определить направление полета ракеты и оценить степень угрозы. К тому же сложная помеховая обстановка наземного боя (пыль, дым, выстрелы, взрывы) снижает надежность применения пеленгатора и ведет к ложным срабатываниям. Результаты полевых испытаний, проведенных в Германии, показали недостаточность чувствительности и помехоустойчивости УФ-пеленгаторов. Испытатели пришли к выводу о целесообразности перехода к более устойчивым каналам сбора информации, например к радиолокационному каналу [8].
С 2007 года УФ-пеленгаторы из-за недостаточной эффективности не используются для оснащения серийных объектов бронетанковой техники и были исключены из предполагаемого состава перспективной германской БМП Puma.
Отечественные исследования также позволяют сделать вывод о том, что УФ-пеленгатор атаки не может быть основным датчиком в бортовом комплексе защиты наземной боевой машины, но полезен как дополнительный источник сбора информации, цена ложного срабатывания которого невысока и может быть проверена другими устройствами [8].
2. УФ-системы наведения управляемого вооружения
Особенности солнечно-слепого УФ-диапазона спектра открывают возможность модернизации комплексов ПТУР в части усовершенствования систем управления полетом ракет, использующих ИК-трассер для коррекции траектории полета.
Не секрет, что использование ИК-трассера подвержено помехам за счет отражений солнечного излучения от земной поверхности и наземных предметов. Их переизлучение становится причиной сбоев ИК-датчиков системы наведения. Однако при прямом наблюдении среза сопла двигателя летящего ПТУР со стороны оператора при отсутствии помех от Солнца можно эффективно использовать собственное УФ-излучение двигателя ПТУР в качестве трассера для управления полетом ракеты. Это упрощает конструктивное исполнение комплекса ПТУР, так как из состава ракеты полностью исключается ИК-трассер.
Требуемый узкий спектральный диапазон определяется, исходя из конструктивных особенностей двигателей используемых ракет, что обусловливает ряд общих признаков. Остановимся на некоторых из них.
Работа малогабаритного двигателя ориентации на топливной паре «метан-кислород» в видимом спектральном диапазоне представлена на рис. 8. Невооруженным глазом фронт пламени имеет сине-зеленый цвет свечения. Диаграмма спектра излучения факела пламени при сжигании газа изображена на рис. 9.
На графике явно выражен «всплеск» излучения в ультрафиолетовой области спектра, который приходится как раз в зоне солнечно-слепого диапазона 0,2–0,3 мкм. Именно его наиболее целесообразно использовать в системах коррекции направления полета ракет при наблюдении со стороны сопла двигателя.
Сомнение вызывает только дальность действия в солнечно-слепом УФ-диапазоне. Эта главная особенность УФ-диапазона была исследована поверхностно, а существующая инженерная методика расчета прозрачности атмосферы в диапазоне 0,22–14 мкм разрабатывалась ГОИ им. С. И. Вавилова в интересах отработки информационного тракта космического эшелона системы предупреждения о ракетном нападении, область ее применения распространялась на условия наблюдения из космоса [10], поэтому не требовала особой детализации условий наблюдения в приземном слое.
В 2008 году сотрудниками ГУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета проведены эксперименты по определению особенностей распространения УФ-излучения в горах, а также через облака, которые дали уникальные результаты. В облаках, на высоте 2 км, при дожде и снеге обнаружилось прохождение УФ-сигнала с дальности 1 км при метеорологической дальности видимости (МДВ) менее 80 м, при этом имелась возможность не только обеспечивать прием энергетических сигналов в УФ-диапазоне, но и находить с точностью до 1 градуса положение источника. Это подтверждает факт отсутствия существенного поглощения излучения УФ-диапазона на водяных парах и дает возможность говорить о ведении работ в данном спектральном диапазоне в условиях тумана и облачности на дальностях до нескольких км.
Такой дальности вполне достаточно для управления полетом ПТУР в наземной обстановке при отсутствии фонового излучения и, следовательно, при отсутствии мешающих отражений от земной поверхности и наземных предметов, которые служат помехой ИК-датчикам и радиолокационным системам (РЛС).
3. УФ-системы при реализации дистанционного подрыва снарядов
В последние годы большое значение придается работам над созданием высокоточных артиллерийских боеприпасов, обеспечивающих за короткое время поражение в тактической зоне (на глубину до 2–3 км) малоразмерных и укрытых целей. В основе работ использована технология дистанционного управления подрывом боеприпаса на заданной дальности и на определенной высоте над целью.
Среди первых разработчиков подобных снарядов была швейцарская компания Oerlikon Contraves AG, вошедшая в 2000 году в состав германского оружейного концерна Rheinmetall-DeTec AG. Этой компанией были созданы боеприпасы воздушного подрыва AHEAD (Advanced Hit Efficiency And Destruction – «повышенная эффективность попадания и разрушения»).
В ней наиболее ярко проявилось отличие западной конструкторской школы от российской, которое заключается в следующем: на дульном срезе западных орудий установлены специальные катушки, которые при вылете снаряда подают на него импульс со временем замедления на разрыв. Суть метода иллюстрируется рис. 10.
Процесс ввода данных о времени подрыва снаряда осуществляется по следующему алгоритму. Характеристики движения цели определяются лазерным дальномером и передаются в ЭВМ системы управления огнем (Fire Control Unit) для расчета дальности до цели. Данные о цели поступают в блок электроники установщика взрывателя (ABM Electronics), куда также передается измеренная дульная скорость снаряда. Дульная скорость определяется с помощью двух индукционных катушек, расположенных на расстоянии 10 см друг от друга. При прохождении первой катушки запускается таймер, при прохождении второй катушки таймер останавливается. Зная расстояние между катушками и время пролета снаряда между ними, вычисляется фактическая скорость снаряда. Эти данные поступают в компьютер системы управления огнем. Он вычисляет время встречи снаряда с целью и с помощью программатора передает его на снаряд.
Программатор содержит третью катушку индуктивности, на которую подаются кодированные импульсы времени подрыва взрывателя.
Для приема данных о времени подрыва в хвостовой части снаряда находится четвертая катушка – приемная. При дульной скорости снаряда около 1 050 м / с весь процесс измерения дульной скорости, вычислений и программирования снаряда занимает менее 0,002 секунд, после чего данные с приемной катушки внутри снаряда передаются на программируемый электронный взрыватель, содержащий высокоточный электронный таймер.
Вид надульного устройства пушки MK 30-2 / ABM с датчиками-соленоидами начальной скорости и программатором взрывателей снарядов типа АВМ в составе комплекса вооружения БМП «Пума» первой серии (2015 год) представлен на фотографии (рис. 11).
Таким образом, западный подход к реализации дистанционного подрыва базируется на изменении конструкции основного вооружения и для его полноценного использования автоматическая пушка нуждается в доработках. Кроме того, датчики и кабель передачи данных располагаются снаружи и открыты для любого механического воздействия, что особенно критично при боестолкновениях или при прямом огневом контакте. Вопрос боевой живучести такой системы всегда остается открытым.
Задача, решаемая отечественными проектировщиками, имеет другую направленность и заключается в использовании артиллерийских систем без изменения их конструкции, то есть все системы управления дистанционным подрывом должны быть встроены в оптико-электронные приборы и в снаряд с минимальными доработками серийных изделий.
Предприятием ПАО «РОМЗ» в качестве датчика выхода снаряда из ствола был предложен вариант фиксации пламени выстрела так называемым датчиком вспышки, встроенным в прицел. Пламя при выстреле образуется вследствие догорания на воздухе вылетающих из канала ствола горючих газов (окиси углерода, водорода, метана) и свечения раскаленных газов и твердых частиц [9]. Оно появляется на некотором расстоянии от дульного среза в передней части вырывающегося из канала ствола газового облака (рис. 12).
Горением пороха осуществляют метание снаряда в сторону наименьшего сопротивления, при этом возникает дульное свечение. Это красноватое свечение, которое видно до того, как снаряд покинет ствол. Свечение создается перегретыми газами, просочившимися мимо снаряда и с опережением вышедшими из ствола.
Вообще говоря, дульную вспышку можно разделить на пять отдельных компонентов. Первичная вспышка вызвана перегретыми пороховыми газами, выходящими из огнестрельного оружия за снарядом, которые излучают свою энергию в окружающую среду частично как видимый свет. Яркость первичной вспышки является самой высокой, однако ее тепло рассеивается очень быстро, и поэтому она обычно малозаметна для глаза.
Промежуточная вспышка вызывается ударными волнами, создаваемыми высокой скоростью выходящих газов и снаряда, и проявляется в виде красноватого диска перед дульным срезом.
Вторичная вспышка появляется дальше всего от дульного среза в виде большого белого или желтого пламени и возникает в результате повторной вспышки воспламенения – окислительной реакции не полностью сгоревшего выброса при смешивании с обильным кислородом в окружающей атмосфере.
После рассеивания дульной вспышки частично несгоревший порох или другие нагретые материалы могут выбрасываться из дульного среза и проявляться в виде остаточных искр. Дульные вспышки создают отчетливую картину – подписи, которые могут быть обнаружены с помощью ИК-визуализации, так как здесь высоки температуры вспышек, горения и температуры взрыва, некоторые значения которых [10] для разных взрывчатых веществ (BB) приведены в табл. 1.
Для каждой температуры максимум излучения соответствует определенной длине волны, которая, согласно закону Вина, полученному дифференцированием закона Планка [11], возрастает с уменьшением температуры.
Используя закон смещения Вина: λmax = 2898 / T [мкм], где T – температура излучающего тела [K], и переведя значения температуры по Цельсию (TC) в градусы Кельвина (TK): TK = TC + 273,16, определим интервал длин волны с максимумом излучения для различных взрывчатых веществ. Например, для нитроцеллюлозного пороха с температурой вспышки ~200 °C и температурой горения ~2 000 °C (см. табл. 1) интервал длин волны с максимумом излучения составит ~∆λmax ≈ (1,2–6,1) мкм (2 898 / 2 273,16 и 2 898 / 473,16).
При таком спектральном диапазоне в качестве датчика вспышки можно использовать фотоприемник типа ФЭ723-3 производства НИИ «Гириконд», спектральный диапазон которого охватывает наиболее эффективную часть излучения первичной вспышки.
Параметры фотоприемника ФЭ723-3 приведены в табл. 2.
Существенным преимуществом является то, что в таком датчике выстрела, ввиду значительной апертуры приемника и небольшим рабочим дистанциям, не требуется дополнительной оптической системы. Таким образом, конструктивное исполнение прибора наблюдения-прицела для дистанционного подрыва снарядов может быть выполнено простой модернизацией серийных прицелов.
В качестве примера можно привести модернизацию штатного варианта серийного прицела боевой машины БТР‑82А, состоящего из головной части и двух каналов: однократного оптического канала и многократного оптико-электронного канала [14].
Фотоприемник датчика вспышки выстрела целесообразно устанавливать в головной части прицела, поэтому в рассматриваемом варианте компоновки он расположен непосредственно под головным отражающим зеркалом, кинематически связанные с основным вооружением.
Датчик вспышки регистрирует поток ИК-излучения спектрального диапазона 2,6–4,3 мкм, появляющийся в момент первичной вспышки выстрела. Излучение от первичной вспышки проходит приборные защитные стекла, отражается от головного зеркала и фиксируется приемной площадкой фотоприемника 1, который формирует соответствующий электрический сигнал (рис. 13).
Прицел дополнительно оснащается двумя модулями: оптико-электронным модулем 2, 3 блока лазерного программатора-излучателя (ЛПИ) канала дистанционного управления временем подрыва снарядов (КДУ ВПС) и излучательным каналом импульсного лазерного дальномера 4.
Каждый из каналов имеет собственное приемное устройство. Приемное устройство канала импульсного лазерного дальномера встроено в один из оптических каналов прицела, а приемное устройство ЛПИ КДУ ВПС в виде самостоятельного узла размещено непосредственно на снаряде, разработанном на предприятии НПО «Прибор».
В тыльную часть снаряда встроено защитное оптическое окно из лейкосапфира с интерференционным фильтром для модуля фотоприемного дистанционно-управляемого взрывателя (ДУВ), которое обеспечивает необходимую помехозащищенность ДУВ.
Таким образом, в основе российского проекта лежат компоновочные решения, не повторяющие зарубежные.
В западном проекте вооружение объекта нуждается в установке новых систем управления и электромагнитного программатора. Монтаж последнего может быть связан с существенными трудностями компоновочного и конструктивного характера, в то время как отечественный проект предусматривает применение простой и дешевой лазерной системы управления, позволяющей обойтись минимальными переделками боевой машины.
Преимущества такой архитектуры очевидны. Она позволяет дать технике новые возможности с минимальными временными и материальными затратами. При этом следует отметить, что снаряд с дистанционным управлением существенно дешевле изделия с программируемым взрывателем западного типа.
В августе 2014 года на подмосковном полигоне ОАО «НПО «Прибор» были проведены первые натурные испытания в реальных условиях эксплуатации варианта прицела ТКН‑4ГА‑02 в составе макетного стенда с установкой 30‑мм пушки [12].
Стрельбовые испытания на задаваемых дальностях подрыва снарядов в различных погодных условиях были признаны успешными, так как эффективность подрыва снарядов составила более 75%, что для первых опытных образцов прицела и снарядов является вполне удовлетворительным (рис. 14).
Безусловно, отечественная разработка явилась новым шагом в развитии технологий программирования воздушного подрыва.
Баллистический вычислитель, выполненный с использованием микроконтроллера 1886ВЕ2У, обрабатывает данные о дальности до цели, полученные от лазерного дальномера, а также данные об условиях стрельбы (температура окружающего воздуха, температура заряда и др.), и в следящем режиме вычисляет величину полетного времени. В момент выстрела датчик вспышки выстрела формирует короткий импульс, который переводит баллистический вычислитель в режим формирования импульсов управления ЛПИ. Баллистический вычислитель обеспечивает ввод дальности до цели, формируя по согласованному алгоритму кодовые посылки управляющих импульсов, которые поступают в блок излучения. В блоке излучения формируется импульсное оптическое излучение, направленное вдоль траектории полета снаряда и обеспечивающее установку взрывателя снаряда на подрыв в заданное время.
Датчик выстрела находится на расстоянии до 2 м от среза ствола, регистрируя вспышку от выстрела и формируя импульсный сигнал для баллистического вычислителя. Апертурный угол фотоэлемента, равный ~30°, обеспечивает надежное срабатывание датчика выстрела без дополнительной выверки по направлению.
Однако для датчика выстрела, чувствительного в ИК-диапазоне спектра, всегда существует проблема внешних помех, особенно при работе против Солнца, мощное излучение которого буквально «забивает» фотоприемник (рис. 15). Именно в этой ситуации могут быть в полной мере реализованы преимущества фотоприемников солнечно-слепого УФ-диапазона.
Только солнечно-слепые фотоприемные устройства способны регистрировать дульную вспышку при сильном солнечном фоне, поскольку практически не реагируют на этот фон, тогда как другие приемники видимого и ИК-диапазонов в таких сложных условиях просто «слепнут» [14–16].
Анализируя пороховые заряды, можно отметить, что самое древнее взрывчатое вещество (BB) – дымный порох − представляет собой смесь двух горючих веществ (уголь и сера) с окислителем (калиевая селитра) в следующем процентном составе: калиевая селитра – 75%, древесный уголь – 15% и сера – 10%. Селитра является окислителем, легко отдающим кислород при нагревании, уголь – горючим веществом, а сера служит цементатором, связывающим селитру с углем, и одновременно горючим веществом, облегчающим воспламенение пороха.
При горении серы на воздухе образуется достаточно много УФ-излучения. На диаграмме спектра излучения пламени серы [17], представленном рис. 16, видно, что излучение ИК- и видимого диапазона в спектре пламени почти отсутствуют, поэтому пламя серы кажется нам бледно-голубым. Если бы можно было видеть УФ-лучи, пламя серы показалось бы ярким. При горении серы на воздухе наличие значительной доли энергии в УФ-диапазоне от 250 до 300 нм позволяет применить солнечно-слепое фотоприемное устройство в качестве датчика выстрела и применить его в варианте исполнения системы КДУ ВПС с повышенной помехоустойчивостью.
Также возможен вариант введения в состав прицела еще одного канала – канала фиксации разрыва снаряда, состоящего из узкоугольного объектива и соответствующего фотоприемника, что позволяет полностью контролировать и оценивать результаты стрельбы с управляемым подрывом.
При взрыве разрывного заряда осколочного снаряда под действием расширяющихся газообразных продуктов детонации корпус снаряда дробится на осколки, которые разлетаются в разные стороны, поражая на своем пути живую силу и уязвимые части боевой техники. Для снаряжения боеприпасов обычно применяется гексоген, являющийся по сравнению, например с тротилом, более мощным взрывчатым веществом, поэтому взрыв сопровождается очень высокими значениями температуры, скорости и давления.
Температура взрыва достигает 3 500 K у тротила и 4 000 K у гексогена (см. табл. 1) и, в соответствии с формулой (3), в этом случае оптимальным будет применение фотоприемника, чувствительного в спектральном диапазоне ∆λ ≈ 0,7–0,8 мкм.
Но в этом диапазоне достаточно много помехового излучения как естественного, так и искусственного происхождения.
Однако образующиеся при взрыве газы, разогретые до таких высоких температур, ионизируют воздух, в котором будет образовываться еще и излучение УФ-спектра. Это дает возможность осуществлять фиксацию разрыва снаряда наиболее оптимальным вариантом – с использованием многоэлементного двухспектрального алмазного фотоприемника – передовой разработки, реализованной на предприятии Производственно-технологический центр «УралАлмазИнвест» [18].
На изготовленных макетных образцах были обеспечены спектральные диапазоны чувствительности для УФ-канала – 0,19–0,23 мкм и для ИК-канала – 0,8–3,3 мкм, а также достигнуты пороги чувствительности для УФ-канала – 9 ∙ 10–12 Вт / Гц 1 / 2 и для ИК-канала – 6 ∙ 10–10 Вт / Гц 1 / 2.
Принципиальное устройство биспектрального фотоприемника основано на использовании двух фотоприемников, сформированных на противоположных сторонах алмазной пластины.
Фотоприемник, сделанный на основе алмаза, абсолютно прозрачен в видимой и ИК-области спектра, и за ним можно поместить любую изображающую матрицу. Точку УФ от цели можно потом наложить на видимое или ИК-изображение и рассматривать на одном кадре.
Технологии и конструкция биспектральных многоэлементных фотоприемников и фотоприемных устройств на основе алмазных материалов предполагает достижение формата фотоприемника 240 × 240 элементов с размером пикселей ~50 × 50 мкм и работу одновременно в двух диапазонах:
Эффективность применения УФ-систем наглядно демонстрируется комплексированным изображением, полученным в ИК- и УФ-участке спектра. На рис. 17 представлена съемка участка леса на берегу озера, где горит костер.
На рисунке слева – изображение в ИК-спектре, в центре – изображение костра в УФ-спектре (в правой части снимка яркое пятно). Справа представлено суммарное ИК- и УФ-изображение этого участка.
Многоэлементный фотоприемник позволяет осуществлять не только фиксацию события, но и проводить координатные измерения, необходимые для практической реализации канала фиксации разрыва снаряда, встраиваемого в основной прицел.
4. Прочие применения солнечно-слепых УФ-приборов
Исходя из опыта применения оптико-электронных приборов, следует отметить, что универсального прибора, решающего абсолютно все задачи с высокой степенью вероятности, не существует.
Приборы солнечно-слепого УФ-диапазона являются важным дополнением к каналам видимого, ИК- и РЛС-диапазонов, а в некоторых случаях они являются единственным вариантом решения поставленной задачи [19, 20].
Существует масса приложений, где, кроме одного УФ-канала наведения или пеленгации, каналов других спектральных диапазонов просто не требуется. К ним можно отнести, например, приборы для ориентации по Солнцу и звездам в космическом пространстве, системы обнаружения и опознавания «свой-чужой», системы контроля технологий высокотемпературного производства, системы противопожарного мониторинга, системы обнаружения самолетов по УФ-излучению реактивных двигателей, системы обнаружения пламени различного происхождения и др.
Для таких приложений может использоваться только один УФ-канал, состоящий из оптики, УФ-фотоприемника и электронных узлов обработки сигнала.
Не меньший интерес представляют и другие приложения, такие как средства скрытой помехозащищенной УФ-оптической связи, лазерные системы локации и видения УФ-диапазона, которые являются структурно более сложными приборами, так как они должны содержать достаточно мощные лазерные источники УФ-излучения. В этой связи будет нелишним отметить, что в солнечно-слепой УФ-области спектра 0,2–0,3 мкм достаточно эффективным будет использование излучения четвертой гармоники (0,266 мкм) лазера на стекле с неодимом и на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом [21].
Прикладные возможности таких приборов в значительной степени будут определяться потенциально достижимыми техническими характеристиками лазерных систем, основными из которых являются энергия в импульсе лазера и чувствительность УФ-приемника.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Liao Meiyong. Progress in semiconductor diamond photodetectors and MEMS sensors. Functional Diamond. 2021; 1(1):29–46. doi.org/10.1080/26941112.2021.1877019.
Алымов О., Васильев И., Минкин В., Татаурщиков С. Современные фотоприемники для видимого, УФ и ближнего ИК диапазонов спектра производства компании «ЦНИИ «Электрон». Фотоника. 2014; 44(2): 40–47.
Груздев В. Н., Иванов В. Н., Суриков И. Н., Шилин Б. В. Дистанционные наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне. Оптический журнал. 2003; 70(5): 56–59.
Глебов В. В., Гордиенко В. И. О решении проблемы обнаружения атаки противотанковых управляемых ракет. Механіка та машинобудування. 2013; 1.
Балясный Л. М., Гордиенко Ю. Н., Грузевич Ю. К., Альков П. С., Чистов О. В. Ультрафиолетовый фотоприемный модуль на основе электронно-оптического преобразователя с фотокатодом GaN/GaAlN на сапфире для применения в оптико-электронных комплексах космического базирования. Лесной вестник. 2019; 23(4):59–65. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-4-59-65.
Rapanotti J. L. and al. Preliminary study of defensive aids suite technology for the armour combat vehicle programme. DRDC Valcartier TM- 2003-274. February, 2007. URL: [http/pub s. drdc, gc.ca].
Electronic Warfare Associates. [https://www.ewa.com/products/].
Евдокимов В. И., Лазоркин В. И., Сазыкин А. М. Оценка целесообразности введения оптико-электронного пеленгатора атаки ПТУР в бортовой комплекс защиты объекта бронетанковой техники. Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2013; 9–10.
Писарев В. Н., Обрезков А. В., Родионов А. Ю., Чиванов А. Н., Коротаев В. В. Ультрафиолетовый фильтр для «солнечно-слепых» фотоприемных модулей, используемых при создании авиационных систем пеленгации угроз. Оптический журнал. 2016; 83(1): 11–15.
Шагов Ю. В. Взрывчатые вещества и пороха. М.: Воениздат, 1976.
Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988.
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. Перспективные направления развития в оптико-электронной технике и технике ночного видения. – Ярославль: ОАО «Ростовский оптико-механический завод», ОАО «Ярославский полиграфкомбинат», 2011.
Корпоративная газета РОМЗ «Объектив» от 16.10.2014.
Грузевич Ю. К., Гордиенко Ю. Н., Балясный Л. М., Чистов О. В.,
Альков П. С., Широков Д. А., Жмерик В. Н., Нечаев Д. В., Иванов С. В. Разработка фотокатодов солнечно-слепого диапазона на основе ГЭС нитрида галлия алюминия, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Прикладная физика. 2015, (4):82–87.
Айнбунд М. Р., Алексеев А. Н., Алымов О. В., Жмерик В. Н., Лапушкина Л. В., Мизеров А. М., Иванов С. В., Пашук А. В., Петров С. И. Солнечно-слепые УФ-фотокатоды на основе гетероструктур AlGaN с границей спектральной чувствительности в диапазоне 300–330 нм. Письма в ЖТФ. 2012; 38(9):88–95.
Нечаев Д. В. Солнечно-слепые фотокатоды на основе гетероструктур AlGaN: Mg/AlN/c-Al2O3, полученные плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксией. XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники» 14–15 апреля 2020 г. АО «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОН». URL:[http://www.niielectron.ru/solnechno-slepye-fotokatody-na-osnove-geterostruktur-algan-mg-aln-c-al2o3‑poluchennye-plazmenno-aktivirovannoj-molekulyarno-puchkovoj-epitaksiej/].
Пламя сероуглерода. Химия и химики. 2009;9:4–11. URL: [http://chemistry-chemists.com/N7_2009/4-11.pdf]
Гуляев Ю. В., Митягин А. Ю., Фещенко В. С., Чучева Г. В. Двухспектральные алмазные гибридные фотоприемники. Доклады Академии Наук. 2013;450(4):401–405. DOI: 10.7868/S0869565213160093.
Патент RU 188539 U1. Лазерное устройство видения. 2018.12.10. / Белов В. В., Самохвалов И. В., Симонова Г. В., Ванданов О. Ф., Тарасенков М. В.
Маноменова В. Л., Руднева Е. Б., Волошин А. Э. Кристаллы простых и сложных сульфатов никеля и кобальта как оптические фильтры для приборов солнечно-слепой технологии. Усп. хим. 2016; 85(6):585–609. doi.org/10.1070/RCR4530.
Белов М. Л., Городничев В. А., Пашенина О. Е. Сравнительный анализ мощности входных сигналов лазерных систем локации и видения ультрафиолетового диапазона. Наука и образование. 2013;8: 255–267. URL: [https://www.researchgate.net/publication/319702896]. DOI: 10.7463/0813.0587120. Россия, МГТУ им. Н. Э. Баумана
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, lyu1455@yandex.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, ksn61@yandex.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
А. В. Медведев, А. В. Гринкевич, С. Н. Князева
ОАО «Ростовский оптико-механический завод, Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
ЗАО «ЭВС», Москва, Россия
ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод», Ростов Великий, Ярославская обл., Россия
В статье рассмотрен особый класс оптико-электронных приборов, имеющих рабочий спектральный диапазон от 0,25 до 0,3 мкм, получивший название солнечно-слепой ультрафиолет, так как солнечное излучение указанных длин волн практически не достигает земной поверхности. Этот класс приборов функционируют даже в условиях работы против Солнца, что недоступно никакой другой системе. В статье, наряду с особенностями приборов солнечно-слепого УФ-диапазона, приведены варианты приборов для различных сфер применения.
Ключевые слова: солнечно-слепой, УФ-диапазон, УФ-пеленгатор, УФ-системы наведения, датчик вспышки
Статья поступила в редакцию: 14.08.2021
Статья принята к публикации: 10.09.2021
Атмосфера Земли в стратосфере на высоте 25–30 км имеет полосу поглощения озона в области ультрафиолетового (УФ) спектра 0,25–0,3 мкм. Поэтому УФ-излучение Солнца не доходит до поверхности Земли, образуя в низких слоях атмосферы, а именно в тропосфере, так называемую «солнечно-слепую» зону. В этой зоне солнечное излучение указанных длин волн практически не достигает земной поверхности, а прозрачность оптических трасс отличается от нулевой.
Оптико-электронные системы, имеющие солнечного-слепой УФ-рабочий спектральный диапазон, функционируют даже в условиях работы против Солнца, что недоступно никакой другой системе [1]. Например, в оптико-электронных системах видимого и инфракрасного (ИК) спектральных диапазонов при работе против Солнца интенсивное солнечное излучение попадает на светочувствительную область фотоприемного устройства и создает сильные помехи или же выводит из строя весь прибор [2, 3].
Рассмотрим особенности приборов солнечно-cлепого УФ-диапазона для разных применений.
1. УФ-пеленгаторы
Наиболее широкое применение приборы солнечного-слепого УФ-спектра в виде УФ-пеленгаторов нашли в системах противодействия террористическим атакам в составе комплексов бортовой обороны не только военных, но и гражданских авиабортов [4].
С их помощью экипажи могут получать предупреждения о приближении ракет по обнаружению следов их ракетных двигателей. Обеспечивая скорости от 600 до 1 400 м / с, двигатели ракет выбрасывают струю выхлопных газов, разогретых до высоких температур, которые представляют собой высокотемпературные источники, ионизирующие воздух с образованием излучения УФ-спектра [5].
Один из вариантов УФ-пеленгатора разработан на предприятии ПАО «РОМЗ». Конструктивное решение с традиционным размещением функциональных узлов в едином корпусе представлено на рис. 1.
Прибор содержит узкополосный светофильтр, УФ-объектив, датчик УФ-излучения УФК‑2, дополнительные датчики, к которым относятся приемник GPS / ГЛОНАСС, компас, альтиметр (высотомер) и электронные блоки для обработки и выдачи сигнальной информации.
При такой комплектации УФ-пеленгатор в составе бортового комплекса обеспечивает измерение трехмерных координат источников УФ-излучения, а именно: определение широты, долготы и высоты над поверхностью Земли.
Датчик УФ-излучения представляет собой фотоэлектронный умножитель отечественного производства УФК‑2, преобразующий электромагнитное излучение оптического диапазона с длинами волн от 210 до 350 нм в электрический сигнал. Он имеет полупрозрачный фотокатод на основе гетероэпитаксиальных наноструктур соединений GaN / AlN, выращенных на подложке из сапфира, систему умножения, состоящую из двух микроканальных пластин, и четырехсекторный анод с четырьмя отдельными выводами, который позволяет определить центр электронной лавины, формируемой двумя микроканальными пластинами даже в случае попадания на фотокатод всего одного фотона.
Именно центр лавины считается координатой попадания фотона на фотокатод.
Координату определяют по соотношению напряжений, эквивалентных зарядам на каждом аноде, согласно следующим формулам:
X = (U1 + U4 – U2 – U3) / (U1 + U2 + U3 + U4 + UФЭ),
Y = (U1 + U2 – U3 – U4) / (U1 + U2 + U3 + U4 + UФЭ),
где: Ui – напряжения, снимаемые с i-го квадранта коллектора.
Функциональная схема варианта УФ-пеленгатора представлена на рис. 2.
Функционирование системы происходит следующим образом. Токовые сигналы с анодов УФК‑2 подаются на трансимпедансные усилители, преобразующие ток в напряжение.
С выходов усилителей сигналы поступают на дифференциальные усилители, формирующие парафазные сигналы, необходимые для согласования с уровнями трех дифференциальных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллера STM32H743IGT6 с мультиплексированием входных аналоговых каналов. Использование дифференциальных каналов 16‑ти разрядного АЦП позволяет уменьшить шум преобразования от цифровой земли микроконтроллера.
В режиме 14‑ти разрядов АЦП максимальная частота преобразования равна 4 МГц, а при распределении входных мультиплексных каналов по три канала на каждый АЦП максимальная частота преобразования всех каналов составляет 4 / 3 МГц.
Следует обратить внимание, что микроконтроллер имеет максимальную тактовую частоту 480 МГц, достаточную для использования программного обеспечения без операционной системы (ОС). Для связи с внешними системами используются два интерфейса: CAN или Ethernet 10 / 100. Микроконтроллер с помощью двух последовательных интерфейсов USART (RS232) связан с приемником космической навигационной системы ГЛОНАСС / GPS / GALILEO / QZSS / SBAS модулем GeoS‑5M.
В гражданских применениях солнечно-слепой УФ-пеленгатор может быть эффективен в составе беспилотного комплекса, решающего задачи фиксации дефектных мест высоковольтных линий электропередач по возникновению коронных разрядов, спектр свечения которых показан на рис. 3.
Расчет объектива УФ-пеленгатора основан на спектральной характеристике свечения коронного разряда, и окончательный вариант схемы реализован с применением следующей линейки материалов: фтористого кальция, кварцевого стекла и сапфира.
Узкополосный оптический УФ-фильтр блокирует спектр солнечного излучения и выделяет солнечно-слепой участок УФ-спектра с Δλ = (0,24–0,28) мкм.
Основные технические характеристики УФ-пеленгатора:
- спектральный рабочий диапазон – от 240 до 280 нм;
- дальность обнаружения коронных разрядов – до 15 км;
- угол поля зрения – 30°;
- точность определения угловых координат – не более ±0,5°;
- точность определения трехмерных координат – не более ±0,5 м;
- интерфейс связи с ботовым компьютером – CAN, Ethernet 10 / 100;
- габаритные размеры – не более 120 × 120 × 250 мм;
- напряжение питания – 22,2 В (или другое по выбору заказчика);
- ток потребления при напряжении питания 22,2 В – до 3 А;
- масса – не более 2 кг;
- диапазон рабочих температур – от –40 до +55 °C.
Четыреханодный умножитель УФК‑2 обладает высокими параметрами. Так, усиление порядка 106 и более раз открывает широкие возможности для обнаружения слабых сигналов, а заявленная точность определения угловых координат ±0,5° является вполне достаточной для многих практических применений.
Для проведения специализированных измерений, требующих кардинального повышения точности определения координат, предприятие «Производственно-технический центр «УралАлмазИнвест» предложило новую, конструктивно упрощенную схему позиционно-чувствительного фотоприемника на основе алмаза, обладающую уменьшенными габаритными размерами.
На рис. 5 показана схема квадратного расположения контактов приемного элемента такого четырехконтактного позиционно-чувствительного фотоприемника с обозначением «привязки» координат его точек и пятна засветки. Приемник является полностью аналоговым прибором и мгновенно срабатывает на засветку. Разрешение прибора зависит от разрешения оптики и равномерности свойств фоточувствительного материала по площади. Прием сигнала, его оцифровка и определение координат занимает минимальное количество времени и не требует больших вычислительных мощностей, так как в отличие от матрицы 1 000 × 1 000 элементов обрабатывается всего одна, заранее известная, единственно нужная точка изображения.
Характерной особенностью канала пеленгации с использованием ФЭУ является способность точного определения координат только одной опасной цели. При наличии нескольких целей их одновременное положение не определяется, а обработка сигнала становиться невозможной.
В связи с этим безусловный интерес представляет разработка УФ-фотоприемника ЭОП архитектуры на основе новой конструкции твердотельного спектрального преобразователя УФ-изображения диапазона 20–270 нм в изображение диапазона (738 ± 10) нм и в видимое изображение, проведенная предприятиями НИУ МИЭТ и ООО «МЭЛЗ ФЭУ» (рис. 6).
На рис. 6а показана конструкция вакуумного эмиссионного приемника: 1 – вакуумно-плотный металло-керамический корпус, 2 – входное окно, выполненное на основе алмазной пластины, насыщенной с внешней стороны SiV центрами как минимум до толщин ~α–1 (α – коэффициент поглощения света в рабочем спектральном диапазоне), 3 – фотокатод, чувствительный в спектральном диапазоне ~730–740 нм и сформированный на тыльной стороне пластины алмазного входного окна, 4 – микроканальная пластина (МКП), 5 – катодолюминесцентный экран (КЛЭ), 6 – волоконно-оптическое стекло (ВОС).
На рис. 6b представлено фото УФ-фотокатод сетчатого типа на основе алмазной пленки, на рисунке 6с – фото УФ ЭОП в корпусе 2+ поколения с алмазным фотокатодом, на рисунке 6d – видимое изображение преобразованного УФ-излучения широкоапертурного пучка от источника ДДС‑30 (0,18–0,28 мкм).
Изображение объекта проецируется на входное окно 2 и поглощается в объеме сенсорно-преобразовательного слоя входного окна (алмазная пленка с SiV-центрами на любом материале входного окна ЭОП, прозрачном для излучения 730–740 нм), где в плоскости алмазной пластины генерируются пропорционально освещенности неравновесные электроны и дырки. Последние, захватываясь SiV-центрами, излучательно рекомбинируют с рождением квантов света длиной волны ~738 нм. Их число пропорционально интенсивности распределения входного УФ-изображения в плоскости входного окна ЭОП.
Результатом взаимодействия является прямое пропорциональное спектральное преобразование УФ-картины изображений в оптическое изображение на длине волны в 738 нм.
Полученное изображение объекта попадает на фотокатод 3, осажденный на тыльной стороне входного окна 2 и имеющий высокую квантовую эффективность с максимумом чувствительности в диапазоне 730–740 нм, который пропорционально преобразует его в двумерное изображение в фотоэлектронах. Фотоэлектроны двумерного изображения ускоряются полем, их энергия и число пропорционально преобразуются МКП 4 во вторичные электроны, затем вторичные электроны картины изображения ускоряются полем в каналах МКП, испытывая вторичные умножения их числа, и, выходя из каналов МКП, ускоряются и направляются на КЛЭ 5, преобразующий усиленную картину изображений во вторичных электронах в оптическое изображение в видимой части диапазона, выводимое из УФ ЭОП через ВОС 6.
Минимально разрешаемая величина такого УФ ЭОП может составлять доли микрона, а точность пеленгации с его помощью многократно возрастает. При этом становится возможным определение координат не одной, а множества опасных целей.
Принцип регистрации источника излучения в солнечно-слепом УФ-диапазоне можно оценить по характерным кадрам специальной видеосъемки (рис. 7).
На рисунке представлены результаты работы ТВ камеры, чувствительной к УФ- и видимой части спектра. Верхний снимок демонстрирует работу солнечно-слепого канала, не реагирующего на солнечное излучение, так как кадр получен в темноте, и наблюдается непосредственно только тот участок с коронным разрядом. На нижнем снимке выведено изображение того же самого участка при солнечной засветке. Учитывая, что ТВ камера воспринимает и видимый спектр, это дает представление еще и об окружающей обстановке в том виде, в котором она воспринимается при визуальном наблюдении.
Пеленгаторы, работающие в УФ-части спектра, значительно дешевле ИК-пеленгаторов, не требуют охлаждения и, как уже было сказано выше, менее подвержены действию помех от солнечного излучения, так как оно поглощается слоем озона в верхних слоях атмосферы (полоса Гартлея).
Появление авиационных УФ-пеленгаторов привело разработчиков к мысли о возможности введения УФ-пеленгаторов атак в состав танковых комплексов защиты, и в 2000–2006 годах на Западе были предприняты попытки разработки таких приборов [7].
В процессе испытаний удавалось зарегистрировать импульс срабатывания стартового ускорителя противотанковых управляемых ракет (ПТУР) Міlаn, но не было устойчивого слежения за работой маршевого двигателя.
Это связано с тем, что, в отличие от авиационных ракет, ПТУР имеют скорости ~500 м / c, а состоящие на вооружении старые типы – менее 300 м / с. Их энергетика почти на порядок слабее, чем у зенитных и авиационных ракет. Пик излучения факела смещен в более длинноволновую область, к тому же присутствующее на срезе сопла УФ-излучение экранируется элементами корпуса летящей прямо на танк ракеты.
Регистрация только импульса старта недостаточно информативна, так как не позволяет определить направление полета ракеты и оценить степень угрозы. К тому же сложная помеховая обстановка наземного боя (пыль, дым, выстрелы, взрывы) снижает надежность применения пеленгатора и ведет к ложным срабатываниям. Результаты полевых испытаний, проведенных в Германии, показали недостаточность чувствительности и помехоустойчивости УФ-пеленгаторов. Испытатели пришли к выводу о целесообразности перехода к более устойчивым каналам сбора информации, например к радиолокационному каналу [8].
С 2007 года УФ-пеленгаторы из-за недостаточной эффективности не используются для оснащения серийных объектов бронетанковой техники и были исключены из предполагаемого состава перспективной германской БМП Puma.
Отечественные исследования также позволяют сделать вывод о том, что УФ-пеленгатор атаки не может быть основным датчиком в бортовом комплексе защиты наземной боевой машины, но полезен как дополнительный источник сбора информации, цена ложного срабатывания которого невысока и может быть проверена другими устройствами [8].
2. УФ-системы наведения управляемого вооружения
Особенности солнечно-слепого УФ-диапазона спектра открывают возможность модернизации комплексов ПТУР в части усовершенствования систем управления полетом ракет, использующих ИК-трассер для коррекции траектории полета.
Не секрет, что использование ИК-трассера подвержено помехам за счет отражений солнечного излучения от земной поверхности и наземных предметов. Их переизлучение становится причиной сбоев ИК-датчиков системы наведения. Однако при прямом наблюдении среза сопла двигателя летящего ПТУР со стороны оператора при отсутствии помех от Солнца можно эффективно использовать собственное УФ-излучение двигателя ПТУР в качестве трассера для управления полетом ракеты. Это упрощает конструктивное исполнение комплекса ПТУР, так как из состава ракеты полностью исключается ИК-трассер.
Требуемый узкий спектральный диапазон определяется, исходя из конструктивных особенностей двигателей используемых ракет, что обусловливает ряд общих признаков. Остановимся на некоторых из них.
Работа малогабаритного двигателя ориентации на топливной паре «метан-кислород» в видимом спектральном диапазоне представлена на рис. 8. Невооруженным глазом фронт пламени имеет сине-зеленый цвет свечения. Диаграмма спектра излучения факела пламени при сжигании газа изображена на рис. 9.
На графике явно выражен «всплеск» излучения в ультрафиолетовой области спектра, который приходится как раз в зоне солнечно-слепого диапазона 0,2–0,3 мкм. Именно его наиболее целесообразно использовать в системах коррекции направления полета ракет при наблюдении со стороны сопла двигателя.
Сомнение вызывает только дальность действия в солнечно-слепом УФ-диапазоне. Эта главная особенность УФ-диапазона была исследована поверхностно, а существующая инженерная методика расчета прозрачности атмосферы в диапазоне 0,22–14 мкм разрабатывалась ГОИ им. С. И. Вавилова в интересах отработки информационного тракта космического эшелона системы предупреждения о ракетном нападении, область ее применения распространялась на условия наблюдения из космоса [10], поэтому не требовала особой детализации условий наблюдения в приземном слое.
В 2008 году сотрудниками ГУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета проведены эксперименты по определению особенностей распространения УФ-излучения в горах, а также через облака, которые дали уникальные результаты. В облаках, на высоте 2 км, при дожде и снеге обнаружилось прохождение УФ-сигнала с дальности 1 км при метеорологической дальности видимости (МДВ) менее 80 м, при этом имелась возможность не только обеспечивать прием энергетических сигналов в УФ-диапазоне, но и находить с точностью до 1 градуса положение источника. Это подтверждает факт отсутствия существенного поглощения излучения УФ-диапазона на водяных парах и дает возможность говорить о ведении работ в данном спектральном диапазоне в условиях тумана и облачности на дальностях до нескольких км.
Такой дальности вполне достаточно для управления полетом ПТУР в наземной обстановке при отсутствии фонового излучения и, следовательно, при отсутствии мешающих отражений от земной поверхности и наземных предметов, которые служат помехой ИК-датчикам и радиолокационным системам (РЛС).
3. УФ-системы при реализации дистанционного подрыва снарядов
В последние годы большое значение придается работам над созданием высокоточных артиллерийских боеприпасов, обеспечивающих за короткое время поражение в тактической зоне (на глубину до 2–3 км) малоразмерных и укрытых целей. В основе работ использована технология дистанционного управления подрывом боеприпаса на заданной дальности и на определенной высоте над целью.
Среди первых разработчиков подобных снарядов была швейцарская компания Oerlikon Contraves AG, вошедшая в 2000 году в состав германского оружейного концерна Rheinmetall-DeTec AG. Этой компанией были созданы боеприпасы воздушного подрыва AHEAD (Advanced Hit Efficiency And Destruction – «повышенная эффективность попадания и разрушения»).
В ней наиболее ярко проявилось отличие западной конструкторской школы от российской, которое заключается в следующем: на дульном срезе западных орудий установлены специальные катушки, которые при вылете снаряда подают на него импульс со временем замедления на разрыв. Суть метода иллюстрируется рис. 10.
Процесс ввода данных о времени подрыва снаряда осуществляется по следующему алгоритму. Характеристики движения цели определяются лазерным дальномером и передаются в ЭВМ системы управления огнем (Fire Control Unit) для расчета дальности до цели. Данные о цели поступают в блок электроники установщика взрывателя (ABM Electronics), куда также передается измеренная дульная скорость снаряда. Дульная скорость определяется с помощью двух индукционных катушек, расположенных на расстоянии 10 см друг от друга. При прохождении первой катушки запускается таймер, при прохождении второй катушки таймер останавливается. Зная расстояние между катушками и время пролета снаряда между ними, вычисляется фактическая скорость снаряда. Эти данные поступают в компьютер системы управления огнем. Он вычисляет время встречи снаряда с целью и с помощью программатора передает его на снаряд.
Программатор содержит третью катушку индуктивности, на которую подаются кодированные импульсы времени подрыва взрывателя.
Для приема данных о времени подрыва в хвостовой части снаряда находится четвертая катушка – приемная. При дульной скорости снаряда около 1 050 м / с весь процесс измерения дульной скорости, вычислений и программирования снаряда занимает менее 0,002 секунд, после чего данные с приемной катушки внутри снаряда передаются на программируемый электронный взрыватель, содержащий высокоточный электронный таймер.
Вид надульного устройства пушки MK 30-2 / ABM с датчиками-соленоидами начальной скорости и программатором взрывателей снарядов типа АВМ в составе комплекса вооружения БМП «Пума» первой серии (2015 год) представлен на фотографии (рис. 11).
Таким образом, западный подход к реализации дистанционного подрыва базируется на изменении конструкции основного вооружения и для его полноценного использования автоматическая пушка нуждается в доработках. Кроме того, датчики и кабель передачи данных располагаются снаружи и открыты для любого механического воздействия, что особенно критично при боестолкновениях или при прямом огневом контакте. Вопрос боевой живучести такой системы всегда остается открытым.
Задача, решаемая отечественными проектировщиками, имеет другую направленность и заключается в использовании артиллерийских систем без изменения их конструкции, то есть все системы управления дистанционным подрывом должны быть встроены в оптико-электронные приборы и в снаряд с минимальными доработками серийных изделий.
Предприятием ПАО «РОМЗ» в качестве датчика выхода снаряда из ствола был предложен вариант фиксации пламени выстрела так называемым датчиком вспышки, встроенным в прицел. Пламя при выстреле образуется вследствие догорания на воздухе вылетающих из канала ствола горючих газов (окиси углерода, водорода, метана) и свечения раскаленных газов и твердых частиц [9]. Оно появляется на некотором расстоянии от дульного среза в передней части вырывающегося из канала ствола газового облака (рис. 12).
Горением пороха осуществляют метание снаряда в сторону наименьшего сопротивления, при этом возникает дульное свечение. Это красноватое свечение, которое видно до того, как снаряд покинет ствол. Свечение создается перегретыми газами, просочившимися мимо снаряда и с опережением вышедшими из ствола.
Вообще говоря, дульную вспышку можно разделить на пять отдельных компонентов. Первичная вспышка вызвана перегретыми пороховыми газами, выходящими из огнестрельного оружия за снарядом, которые излучают свою энергию в окружающую среду частично как видимый свет. Яркость первичной вспышки является самой высокой, однако ее тепло рассеивается очень быстро, и поэтому она обычно малозаметна для глаза.
Промежуточная вспышка вызывается ударными волнами, создаваемыми высокой скоростью выходящих газов и снаряда, и проявляется в виде красноватого диска перед дульным срезом.
Вторичная вспышка появляется дальше всего от дульного среза в виде большого белого или желтого пламени и возникает в результате повторной вспышки воспламенения – окислительной реакции не полностью сгоревшего выброса при смешивании с обильным кислородом в окружающей атмосфере.
После рассеивания дульной вспышки частично несгоревший порох или другие нагретые материалы могут выбрасываться из дульного среза и проявляться в виде остаточных искр. Дульные вспышки создают отчетливую картину – подписи, которые могут быть обнаружены с помощью ИК-визуализации, так как здесь высоки температуры вспышек, горения и температуры взрыва, некоторые значения которых [10] для разных взрывчатых веществ (BB) приведены в табл. 1.
Для каждой температуры максимум излучения соответствует определенной длине волны, которая, согласно закону Вина, полученному дифференцированием закона Планка [11], возрастает с уменьшением температуры.
Используя закон смещения Вина: λmax = 2898 / T [мкм], где T – температура излучающего тела [K], и переведя значения температуры по Цельсию (TC) в градусы Кельвина (TK): TK = TC + 273,16, определим интервал длин волны с максимумом излучения для различных взрывчатых веществ. Например, для нитроцеллюлозного пороха с температурой вспышки ~200 °C и температурой горения ~2 000 °C (см. табл. 1) интервал длин волны с максимумом излучения составит ~∆λmax ≈ (1,2–6,1) мкм (2 898 / 2 273,16 и 2 898 / 473,16).
При таком спектральном диапазоне в качестве датчика вспышки можно использовать фотоприемник типа ФЭ723-3 производства НИИ «Гириконд», спектральный диапазон которого охватывает наиболее эффективную часть излучения первичной вспышки.
Параметры фотоприемника ФЭ723-3 приведены в табл. 2.
Существенным преимуществом является то, что в таком датчике выстрела, ввиду значительной апертуры приемника и небольшим рабочим дистанциям, не требуется дополнительной оптической системы. Таким образом, конструктивное исполнение прибора наблюдения-прицела для дистанционного подрыва снарядов может быть выполнено простой модернизацией серийных прицелов.
В качестве примера можно привести модернизацию штатного варианта серийного прицела боевой машины БТР‑82А, состоящего из головной части и двух каналов: однократного оптического канала и многократного оптико-электронного канала [14].
Фотоприемник датчика вспышки выстрела целесообразно устанавливать в головной части прицела, поэтому в рассматриваемом варианте компоновки он расположен непосредственно под головным отражающим зеркалом, кинематически связанные с основным вооружением.
Датчик вспышки регистрирует поток ИК-излучения спектрального диапазона 2,6–4,3 мкм, появляющийся в момент первичной вспышки выстрела. Излучение от первичной вспышки проходит приборные защитные стекла, отражается от головного зеркала и фиксируется приемной площадкой фотоприемника 1, который формирует соответствующий электрический сигнал (рис. 13).
Прицел дополнительно оснащается двумя модулями: оптико-электронным модулем 2, 3 блока лазерного программатора-излучателя (ЛПИ) канала дистанционного управления временем подрыва снарядов (КДУ ВПС) и излучательным каналом импульсного лазерного дальномера 4.
Каждый из каналов имеет собственное приемное устройство. Приемное устройство канала импульсного лазерного дальномера встроено в один из оптических каналов прицела, а приемное устройство ЛПИ КДУ ВПС в виде самостоятельного узла размещено непосредственно на снаряде, разработанном на предприятии НПО «Прибор».
В тыльную часть снаряда встроено защитное оптическое окно из лейкосапфира с интерференционным фильтром для модуля фотоприемного дистанционно-управляемого взрывателя (ДУВ), которое обеспечивает необходимую помехозащищенность ДУВ.
Таким образом, в основе российского проекта лежат компоновочные решения, не повторяющие зарубежные.
В западном проекте вооружение объекта нуждается в установке новых систем управления и электромагнитного программатора. Монтаж последнего может быть связан с существенными трудностями компоновочного и конструктивного характера, в то время как отечественный проект предусматривает применение простой и дешевой лазерной системы управления, позволяющей обойтись минимальными переделками боевой машины.
Преимущества такой архитектуры очевидны. Она позволяет дать технике новые возможности с минимальными временными и материальными затратами. При этом следует отметить, что снаряд с дистанционным управлением существенно дешевле изделия с программируемым взрывателем западного типа.
В августе 2014 года на подмосковном полигоне ОАО «НПО «Прибор» были проведены первые натурные испытания в реальных условиях эксплуатации варианта прицела ТКН‑4ГА‑02 в составе макетного стенда с установкой 30‑мм пушки [12].
Стрельбовые испытания на задаваемых дальностях подрыва снарядов в различных погодных условиях были признаны успешными, так как эффективность подрыва снарядов составила более 75%, что для первых опытных образцов прицела и снарядов является вполне удовлетворительным (рис. 14).
Безусловно, отечественная разработка явилась новым шагом в развитии технологий программирования воздушного подрыва.
Баллистический вычислитель, выполненный с использованием микроконтроллера 1886ВЕ2У, обрабатывает данные о дальности до цели, полученные от лазерного дальномера, а также данные об условиях стрельбы (температура окружающего воздуха, температура заряда и др.), и в следящем режиме вычисляет величину полетного времени. В момент выстрела датчик вспышки выстрела формирует короткий импульс, который переводит баллистический вычислитель в режим формирования импульсов управления ЛПИ. Баллистический вычислитель обеспечивает ввод дальности до цели, формируя по согласованному алгоритму кодовые посылки управляющих импульсов, которые поступают в блок излучения. В блоке излучения формируется импульсное оптическое излучение, направленное вдоль траектории полета снаряда и обеспечивающее установку взрывателя снаряда на подрыв в заданное время.
Датчик выстрела находится на расстоянии до 2 м от среза ствола, регистрируя вспышку от выстрела и формируя импульсный сигнал для баллистического вычислителя. Апертурный угол фотоэлемента, равный ~30°, обеспечивает надежное срабатывание датчика выстрела без дополнительной выверки по направлению.
Однако для датчика выстрела, чувствительного в ИК-диапазоне спектра, всегда существует проблема внешних помех, особенно при работе против Солнца, мощное излучение которого буквально «забивает» фотоприемник (рис. 15). Именно в этой ситуации могут быть в полной мере реализованы преимущества фотоприемников солнечно-слепого УФ-диапазона.
Только солнечно-слепые фотоприемные устройства способны регистрировать дульную вспышку при сильном солнечном фоне, поскольку практически не реагируют на этот фон, тогда как другие приемники видимого и ИК-диапазонов в таких сложных условиях просто «слепнут» [14–16].
Анализируя пороховые заряды, можно отметить, что самое древнее взрывчатое вещество (BB) – дымный порох − представляет собой смесь двух горючих веществ (уголь и сера) с окислителем (калиевая селитра) в следующем процентном составе: калиевая селитра – 75%, древесный уголь – 15% и сера – 10%. Селитра является окислителем, легко отдающим кислород при нагревании, уголь – горючим веществом, а сера служит цементатором, связывающим селитру с углем, и одновременно горючим веществом, облегчающим воспламенение пороха.
При горении серы на воздухе образуется достаточно много УФ-излучения. На диаграмме спектра излучения пламени серы [17], представленном рис. 16, видно, что излучение ИК- и видимого диапазона в спектре пламени почти отсутствуют, поэтому пламя серы кажется нам бледно-голубым. Если бы можно было видеть УФ-лучи, пламя серы показалось бы ярким. При горении серы на воздухе наличие значительной доли энергии в УФ-диапазоне от 250 до 300 нм позволяет применить солнечно-слепое фотоприемное устройство в качестве датчика выстрела и применить его в варианте исполнения системы КДУ ВПС с повышенной помехоустойчивостью.
Также возможен вариант введения в состав прицела еще одного канала – канала фиксации разрыва снаряда, состоящего из узкоугольного объектива и соответствующего фотоприемника, что позволяет полностью контролировать и оценивать результаты стрельбы с управляемым подрывом.
При взрыве разрывного заряда осколочного снаряда под действием расширяющихся газообразных продуктов детонации корпус снаряда дробится на осколки, которые разлетаются в разные стороны, поражая на своем пути живую силу и уязвимые части боевой техники. Для снаряжения боеприпасов обычно применяется гексоген, являющийся по сравнению, например с тротилом, более мощным взрывчатым веществом, поэтому взрыв сопровождается очень высокими значениями температуры, скорости и давления.
Температура взрыва достигает 3 500 K у тротила и 4 000 K у гексогена (см. табл. 1) и, в соответствии с формулой (3), в этом случае оптимальным будет применение фотоприемника, чувствительного в спектральном диапазоне ∆λ ≈ 0,7–0,8 мкм.
Но в этом диапазоне достаточно много помехового излучения как естественного, так и искусственного происхождения.
Однако образующиеся при взрыве газы, разогретые до таких высоких температур, ионизируют воздух, в котором будет образовываться еще и излучение УФ-спектра. Это дает возможность осуществлять фиксацию разрыва снаряда наиболее оптимальным вариантом – с использованием многоэлементного двухспектрального алмазного фотоприемника – передовой разработки, реализованной на предприятии Производственно-технологический центр «УралАлмазИнвест» [18].
На изготовленных макетных образцах были обеспечены спектральные диапазоны чувствительности для УФ-канала – 0,19–0,23 мкм и для ИК-канала – 0,8–3,3 мкм, а также достигнуты пороги чувствительности для УФ-канала – 9 ∙ 10–12 Вт / Гц 1 / 2 и для ИК-канала – 6 ∙ 10–10 Вт / Гц 1 / 2.
Принципиальное устройство биспектрального фотоприемника основано на использовании двух фотоприемников, сформированных на противоположных сторонах алмазной пластины.
Фотоприемник, сделанный на основе алмаза, абсолютно прозрачен в видимой и ИК-области спектра, и за ним можно поместить любую изображающую матрицу. Точку УФ от цели можно потом наложить на видимое или ИК-изображение и рассматривать на одном кадре.
Технологии и конструкция биспектральных многоэлементных фотоприемников и фотоприемных устройств на основе алмазных материалов предполагает достижение формата фотоприемника 240 × 240 элементов с размером пикселей ~50 × 50 мкм и работу одновременно в двух диапазонах:
- спектральный диапазон (УФ): 0,12–0,28 мкм;
- спектральный диапазон (ИК): 0,7–3,6 мкм.
Эффективность применения УФ-систем наглядно демонстрируется комплексированным изображением, полученным в ИК- и УФ-участке спектра. На рис. 17 представлена съемка участка леса на берегу озера, где горит костер.
На рисунке слева – изображение в ИК-спектре, в центре – изображение костра в УФ-спектре (в правой части снимка яркое пятно). Справа представлено суммарное ИК- и УФ-изображение этого участка.
Многоэлементный фотоприемник позволяет осуществлять не только фиксацию события, но и проводить координатные измерения, необходимые для практической реализации канала фиксации разрыва снаряда, встраиваемого в основной прицел.
4. Прочие применения солнечно-слепых УФ-приборов
Исходя из опыта применения оптико-электронных приборов, следует отметить, что универсального прибора, решающего абсолютно все задачи с высокой степенью вероятности, не существует.
Приборы солнечно-слепого УФ-диапазона являются важным дополнением к каналам видимого, ИК- и РЛС-диапазонов, а в некоторых случаях они являются единственным вариантом решения поставленной задачи [19, 20].
Существует масса приложений, где, кроме одного УФ-канала наведения или пеленгации, каналов других спектральных диапазонов просто не требуется. К ним можно отнести, например, приборы для ориентации по Солнцу и звездам в космическом пространстве, системы обнаружения и опознавания «свой-чужой», системы контроля технологий высокотемпературного производства, системы противопожарного мониторинга, системы обнаружения самолетов по УФ-излучению реактивных двигателей, системы обнаружения пламени различного происхождения и др.
Для таких приложений может использоваться только один УФ-канал, состоящий из оптики, УФ-фотоприемника и электронных узлов обработки сигнала.
Не меньший интерес представляют и другие приложения, такие как средства скрытой помехозащищенной УФ-оптической связи, лазерные системы локации и видения УФ-диапазона, которые являются структурно более сложными приборами, так как они должны содержать достаточно мощные лазерные источники УФ-излучения. В этой связи будет нелишним отметить, что в солнечно-слепой УФ-области спектра 0,2–0,3 мкм достаточно эффективным будет использование излучения четвертой гармоники (0,266 мкм) лазера на стекле с неодимом и на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом [21].
Прикладные возможности таких приборов в значительной степени будут определяться потенциально достижимыми техническими характеристиками лазерных систем, основными из которых являются энергия в импульсе лазера и чувствительность УФ-приемника.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Liao Meiyong. Progress in semiconductor diamond photodetectors and MEMS sensors. Functional Diamond. 2021; 1(1):29–46. doi.org/10.1080/26941112.2021.1877019.
Алымов О., Васильев И., Минкин В., Татаурщиков С. Современные фотоприемники для видимого, УФ и ближнего ИК диапазонов спектра производства компании «ЦНИИ «Электрон». Фотоника. 2014; 44(2): 40–47.
Груздев В. Н., Иванов В. Н., Суриков И. Н., Шилин Б. В. Дистанционные наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне. Оптический журнал. 2003; 70(5): 56–59.
Глебов В. В., Гордиенко В. И. О решении проблемы обнаружения атаки противотанковых управляемых ракет. Механіка та машинобудування. 2013; 1.
Балясный Л. М., Гордиенко Ю. Н., Грузевич Ю. К., Альков П. С., Чистов О. В. Ультрафиолетовый фотоприемный модуль на основе электронно-оптического преобразователя с фотокатодом GaN/GaAlN на сапфире для применения в оптико-электронных комплексах космического базирования. Лесной вестник. 2019; 23(4):59–65. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-4-59-65.
Rapanotti J. L. and al. Preliminary study of defensive aids suite technology for the armour combat vehicle programme. DRDC Valcartier TM- 2003-274. February, 2007. URL: [http/pub s. drdc, gc.ca].
Electronic Warfare Associates. [https://www.ewa.com/products/].
Евдокимов В. И., Лазоркин В. И., Сазыкин А. М. Оценка целесообразности введения оптико-электронного пеленгатора атаки ПТУР в бортовой комплекс защиты объекта бронетанковой техники. Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2013; 9–10.
Писарев В. Н., Обрезков А. В., Родионов А. Ю., Чиванов А. Н., Коротаев В. В. Ультрафиолетовый фильтр для «солнечно-слепых» фотоприемных модулей, используемых при создании авиационных систем пеленгации угроз. Оптический журнал. 2016; 83(1): 11–15.
Шагов Ю. В. Взрывчатые вещества и пороха. М.: Воениздат, 1976.
Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988.
Медведев А. В., Гринкевич А. В., Князева С. Н. Перспективные направления развития в оптико-электронной технике и технике ночного видения. – Ярославль: ОАО «Ростовский оптико-механический завод», ОАО «Ярославский полиграфкомбинат», 2011.
Корпоративная газета РОМЗ «Объектив» от 16.10.2014.
Грузевич Ю. К., Гордиенко Ю. Н., Балясный Л. М., Чистов О. В.,
Альков П. С., Широков Д. А., Жмерик В. Н., Нечаев Д. В., Иванов С. В. Разработка фотокатодов солнечно-слепого диапазона на основе ГЭС нитрида галлия алюминия, изготовленных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Прикладная физика. 2015, (4):82–87.
Айнбунд М. Р., Алексеев А. Н., Алымов О. В., Жмерик В. Н., Лапушкина Л. В., Мизеров А. М., Иванов С. В., Пашук А. В., Петров С. И. Солнечно-слепые УФ-фотокатоды на основе гетероструктур AlGaN с границей спектральной чувствительности в диапазоне 300–330 нм. Письма в ЖТФ. 2012; 38(9):88–95.
Нечаев Д. В. Солнечно-слепые фотокатоды на основе гетероструктур AlGaN: Mg/AlN/c-Al2O3, полученные плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксией. XI Ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники» 14–15 апреля 2020 г. АО «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОН». URL:[http://www.niielectron.ru/solnechno-slepye-fotokatody-na-osnove-geterostruktur-algan-mg-aln-c-al2o3‑poluchennye-plazmenno-aktivirovannoj-molekulyarno-puchkovoj-epitaksiej/].
Пламя сероуглерода. Химия и химики. 2009;9:4–11. URL: [http://chemistry-chemists.com/N7_2009/4-11.pdf]
Гуляев Ю. В., Митягин А. Ю., Фещенко В. С., Чучева Г. В. Двухспектральные алмазные гибридные фотоприемники. Доклады Академии Наук. 2013;450(4):401–405. DOI: 10.7868/S0869565213160093.
Патент RU 188539 U1. Лазерное устройство видения. 2018.12.10. / Белов В. В., Самохвалов И. В., Симонова Г. В., Ванданов О. Ф., Тарасенков М. В.
Маноменова В. Л., Руднева Е. Б., Волошин А. Э. Кристаллы простых и сложных сульфатов никеля и кобальта как оптические фильтры для приборов солнечно-слепой технологии. Усп. хим. 2016; 85(6):585–609. doi.org/10.1070/RCR4530.
Белов М. Л., Городничев В. А., Пашенина О. Е. Сравнительный анализ мощности входных сигналов лазерных систем локации и видения ультрафиолетового диапазона. Наука и образование. 2013;8: 255–267. URL: [https://www.researchgate.net/publication/319702896]. DOI: 10.7463/0813.0587120. Россия, МГТУ им. Н. Э. Баумана
АВТОРЫ
Медведев Александр Владимирович, design@romz.ru, генеральный конструктор, ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Гринкевич Александр Васильевич, lyu1455@yandex.ru, ЗАО «ЭВС», Москва, Россия.
Князева Светлана Николаевна, ksn61@yandex.ru, инженер-конструктор, ОКБ ОАО «Ростовский оптико-механический завод, (ОАО «РОМЗ»), Ростов Великий, Ярославская область, Россия.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Отзывы читателей
