RU2234177C1

RU2234177C1 - Common-aperture multispectral transducer

Info

Publication number: RU2234177C1
Application number: RU2003105739/09A
Authority: RU
Inventors: Ю.Д. Самородов (RU); Ю.Д. Самородов; М.А. Иванов (RU); М.А. Иванов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток"
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-08-10

Abstract

FIELD: instrumentation engineering.

SUBSTANCE: proposed transducer intended for use in multispectral active-passive systems for detecting and identifying objects in noisy atmospheres and high-frequency tracking of objects by angular coordinates has common aperture integrating microwave, optical, and infrared bands. Common aperture has planar single-pulse microwave antenna mounting on its non-radiating end circular mirror lens and two-spectrum matrix photodetector with spectrum splitter and cooling device. Circular mirror lens has concentric parabolic and hyperbolic circular mirrors. This lens accumulates peripheral light beams incident on aperture and conveys them at right angle towards antenna axis wherein they are focused by hyperbolic circular lens.

EFFECT: reduced space requirement of common aperture and enlarged angular domain for its pumping in front hemisphere space.

10 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к многоспектральным активно-пассивным системам обнаружения и распознавания объектов (целей) в условиях сложных естественных и преднамеренных помех и высокоточного сопровождения объектов по угловым координатам. Частью таких систем является многоспектральный датчик с общей (для всех используемых спектральных диапазонов) апертурой (МДОА).The invention relates to radio engineering, and in particular to multispectral active-passive systems for detecting and recognizing objects (targets) under complex natural and deliberate interference and high-precision tracking of objects in angular coordinates. Part of such systems is a multispectral sensor with a common (for all used spectral ranges) aperture (MDOA).

Уровень техникиState of the art

Известны несколько конструкций МДОА [1, 2, 3, 4]. Их главным свойством является то, что они, при наличии одной общей апертуры, приемопередатчика РЛС и нескольких фотоприемников, принимают и обрабатывают одновременно сигналы, поступающие от объекта наблюдения, соответствующие далеко отстоящим друг от друга спектральным диапазонам длин волн, например оптическому, ИК и СВЧ. В результате анализа полученного таким образом многоспектрального образа объекта удается заметно повысить вероятность его правильного обнаружения и распознавания в условиях сложных фонов и, следовательно, повысить эффективность соответствующих систем обнаружения, распознавания и сопровождения целей.Several designs of MDOA are known [1, 2, 3, 4]. Their main property is that, in the presence of one common aperture, a radar transceiver, and several photodetectors, they simultaneously receive and process signals coming from the object of observation corresponding to far-apart spectral wavelength ranges, for example, optical, IR, and microwave. As a result of the analysis of the multispectral image of the object thus obtained, it is possible to significantly increase the likelihood of its correct detection and recognition under conditions of complex backgrounds and, therefore, increase the efficiency of the corresponding target detection, recognition and tracking systems.

МДОА содержат в активном канале приемопередатчик, в пассивных каналах - многоэлементные фотоприемники соответствующих диапазонов. Основной трудностью создания МДОА является построение компактной общей для разных диапазонов апертуры, парциальные каналы которой по своим характеристикам не уступали бы апертурам, используемым в односпектральных вариантах. При этом имеются в виду не только эффективности парциальных апертур, но и возможность просмотра (прокачки) общей апертурой достаточно большого углового сектора в передней полусфере.MDOAs contain a transceiver in the active channel, and multi-element photodetectors of the corresponding ranges in the passive channels. The main difficulty in creating MDOA is the construction of a compact aperture common to different ranges, whose partial channels would not be inferior in characteristics to the apertures used in single-spectral variants. This refers not only to the effectiveness of partial apertures, but also the possibility of viewing (pumping) a common aperture of a sufficiently large angular sector in the front hemisphere.

В работе [1] предложена первая известная двухспектральная конструкция МДОА, в которой общая апертура выполнена в виде объектива Кассегрена, где отраженные контррефлектором лучи ИК-диапазона и радиолучи собираются в одной фокусной плоскости, в которой установлены СВЧ-рупор и торцевой срез пучка из оптических волокон. Конструкция имеет большие продольные габариты, громоздка и малопригодна для осуществления прокачки в углах, соответствующих заметной части передней полусферы.In [1], the first known two-spectral design of an MDOA was proposed, in which the common aperture is made in the form of a Cassegrain lens, where the infrared rays and radio beams reflected by a counterreflector are collected in one focal plane, in which a microwave horn and an end section of a beam of optical fibers are installed . The design has large longitudinal dimensions, is bulky and unsuitable for pumping in the corners corresponding to a noticeable part of the front hemisphere.

В работах [2, 3] рассматривается по существу одна конструкция двухспектральной МДОА, СВЧ- и ИК-диапазонов, содержащая приемопередатчик РЛС, общую апертуру в составе СВЧ параболической антенны и зеркального объектива Кассегрена, спектроделительную пластину и ИК-матрицу с устройством охлаждения. Однако данная конструкция полностью исключает возможность прокачки общего поля зрения в передней полусфере, поскольку СВЧ-приемник, объединенный с контррефлектором объектива, жестко, с помощью волновода, связан с СВЧ-передатчиком, который, в свою очередь, крепится к корпусу изделия-носителя.In [2, 3], essentially one design of a two-spectral MDOA, microwave and infrared ranges was considered, containing a radar transceiver, a common aperture as part of a microwave parabolic antenna and a Cassegrain mirror lens, a spectro-splitting plate, and an infrared matrix with a cooling device. However, this design completely excludes the possibility of pumping the general field of view in the front hemisphere, since the microwave receiver combined with the counterreflector of the lens is rigidly connected by means of a waveguide to the microwave transmitter, which, in turn, is attached to the body of the carrier product.

В работе [4] описан МДОА, выбранный в качестве прототипа настоящего изобретения. МДОА содержит оптический зеркальный объектив типа Кассегрена с параболическим главным зеркалом и гиперболическим контррефлектором и планарную СВЧ-антенну. Главное зеркало своей выпуклой стороной опирается на вогнутую сторону радиопрозрачной подложки, на второй плоской стороне которой устанавливается планарная СВЧ-антенна, излучающая в сторону зеркального объектива. Объектив Кассегрена полностью прозрачен для СВЧ-радиоизлучения, что достигается применением соответствующих материалов зеркал и комбинации сложных пленочных диэлектрических и металлических покрытий. Конструктивно и технологически описываемый МДОА весьма сложен, но главный недостаток заключается в том, что осевая длина общей апертуры слишком велика, что существенно ограничивает угловой сектор прокачки этой апертурой в передней полусфере.The paper [4] describes the MDOA selected as a prototype of the present invention. The MDOA contains an optical Cassegrain type mirror lens with a parabolic main mirror and a hyperbolic counterreflector and a planar microwave antenna. The main mirror, with its convex side, rests on the concave side of the radiolucent substrate, on the second flat side of which a planar microwave antenna is installed, radiating towards the mirror lens. The Cassegrain lens is completely transparent to microwave radiation, which is achieved by using appropriate mirror materials and a combination of complex film dielectric and metal coatings. The structurally and technologically described MDOA is very complex, but the main drawback is that the axial length of the total aperture is too large, which significantly limits the angular sector of pumping by this aperture in the front hemisphere.

Общим недостатком описанных выше конструкций, включая прототип, является, кроме указанных ранее, использование в них объектива типа Кассегрена с присущим ему затенением главного зеркала контррефлектором, а также объединение в общей апертуре только двух спектральных диапазонов, что не в полной мере позволяет реализовать преимущества многоспектрального подхода к обнаружению и распознаванию объектов.A common drawback of the designs described above, including the prototype, is, in addition to the previously mentioned ones, the use of a Cassegrain type lens with the inherent shading of the main mirror by a counter-reflector, as well as the combination of only two spectral ranges in a common aperture, which does not fully realize the advantages of the multispectral approach to the detection and recognition of objects.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей изобретения является создание конструкции МДОА, работающего в СВЧ, оптическом и ИК-диапазонах, использующего планарную моноимпульсную СВЧ-антенну в том виде и с такими возможностями, с какими она используется в односпектральном СВЧ-варианте; использующего двухспектральную собирающую оптику, не затеняющую СВЧ-апертуру, и широкоформатные матричные фотоприемники оптического и ИК-диапазонов с микроохладителем; обладающей возможностью прокачки общей апертуры в углах, свойственных односпектральному СВЧ-варианту.The objective of the invention is the creation of the design of the MDAA, operating in the microwave, optical and infrared ranges, using a planar monopulse microwave antenna in the form and with the capabilities with which it is used in the single-spectrum microwave version; using two-spectral collecting optics that do not obscure the microwave aperture, and wide-format matrix photodetectors of the optical and infrared ranges with a microcooler; with the ability to pump the total aperture in the corners characteristic of the single-spectral microwave version.

Предлагается конструкция МДОА СВЧ, оптического и ИК-диапазонов частот, содержащая приемопередатчик РЛС, планарную СВЧ моноимпульсную антенну, зеркальный кольцевой объектив, спектроделительный элемент и двухспектральный матричный фотоприемник с устройством охлаждения, в котором общая апертура выполнена в виде единого блока в составе упомянутой СВЧ-антенны и зеркального кольцевого объектива. Последний выполнен в виде двух узких в осевом направлении концентрических кольцевых зеркал, образованных отсечением периферийных частей параболического и гиперболического зеркал короткофокусного объектива Кассегрена. Зеркальный кольцевой объектив и матричный фотоприемник, содержащий матрицу ИК-диапазона с охлаждающим устройством, матрицу оптического диапазона и спектроделительный элемент, установлены со стороны планарной, например, щелевой антенны, противоположной ее излучающей стороне, и жестко соединены с ней. При этом оси зеркального кольцевого объектива и фотоприемника совмещены с осью планарной антенны, плоскость раскрыва параболического кольцевого зеркала перпендикулярна оси антенны. Наружный радиус d зеркального кольцевого объектива выбран таким образом, чтобы он превышал радиус R планарной антенны на заданную величину Δr, которая определяется из тактико-технических требований к МДОА. Центр матрицы ИК-диапазона совмещен с фокусом зеркального кольцевого объектива, который является фокусом второй ветви гиперболы, первая ветвь которой описывает профиль гиперболического кольцевого зеркала. Центр матрицы оптического диапазона размещен на общей оси антенны, зеркального кольцевого объектива и фотоприемника и совмещен с зеркальным изображением центра матрицы ИК-диапазона относительно размещенного между ними на равном расстоянии спектроделительного элемента. Плоскость последнего параллельна плоскостям обеих матриц и перпендикулярна к общей оси. Зеркальный кольцевой объектив и фотоприемник закреплены либо непосредственно на поверхности планарной антенны, противоположной ее излучающей стороне, либо на металлической пластине, которая, в свою очередь, установлена и жестко закреплена на указанной поверхности планарной антенны или на заданном расстоянии от нее. При этом планарная антенна со стороны, противоположной ее излучающей стороне, либо упомянутая выше металлическая пластина снабжены элементами для крепления кольцевых зеркал объектива, расположенными на расстоянии от оси, соответствующем радиусам кольцевых зеркал, и элементом для крепления фотоприемника, расположенным соосно с зеркальным кольцевым объективом. Причем элементы для крепления параболического кольцевого зеркала выполнены в виде нескольких выступов, расположенных равноудаленно от оси и равномерно по азимуту, а элемент для крепления гиперболического кольцевого зеркала объектива и фотоприемника выполнен в виде единого полого цилиндра, соосного с зеркальным кольцевым объективом и имеющего участки с разными наружными диаметрами. При этом упомянутая выше металлическая пластина в случае крепления ее к планарной антенне снабжена пазами или отверстиями для установки и крепления на планарной антенне коаксиально-волноводных или коаксиально-полосковых переходов, а при расположении металлической пластины на заданном в осевом направлении расстоянии от антенны, равном или превышающем высоту коаксиально-волноводных или коаксиально-полосковых переходов, пластина снабжена отверстиями для прохождения коаксиальных кабелей, соединяющих планарную антенну с приемопередатчиком РЛС. Приемопередатчик РЛС расположен со стороны планарной антенны, противоположной ее излучающей стороне. Планарная СВЧ-антенна с зеркальным кольцевым объективом и фотоприемником выполнена с возможностью вращения (прокачки) в заданном угловом секторе передней полусферы вокруг центра, совмещенного с фокусом параболического кольцевого зеркала. Планарная СВЧ-антенна с зеркальным кольцевым объективом и фотоприемником соединена с устройством, которое обеспечивает ее вращение вокруг фокуса параболического кольцевого зеркала в заданном угловом секторе передней полусферы.A design of the MDOA microwave, optical and infrared frequency ranges, comprising a radar transceiver, a planar microwave monopulse antenna, a mirror ring lens, a spectro-splitting element and a two-spectral matrix photodetector with a cooling device in which the common aperture is made as a single unit as part of the microwave antenna is proposed. and a mirrored annular lens. The latter is made in the form of two axially narrow concentric annular mirrors formed by cutting off the peripheral parts of the parabolic and hyperbolic mirrors of the Cassegrain short-focus lens. A mirror annular lens and an array photodetector comprising an infrared array matrix with a cooling device, an optical array array and a spectrum splitting element are mounted on the planar side, for example, a slot antenna, opposite its radiating side, and are rigidly connected to it. In this case, the axes of the mirror annular lens and the photodetector are aligned with the axis of the planar antenna, the aperture plane of the parabolic ring mirror is perpendicular to the axis of the antenna. The outer radius d of the mirror annular lens is selected so that it exceeds the radius R of the planar antenna by a predetermined value Δr, which is determined from the tactical and technical requirements for MDOA. The center of the infrared matrix is aligned with the focus of the mirror ring lens, which is the focus of the second branch of the hyperbola, the first branch of which describes the profile of the hyperbolic ring mirror. The center of the matrix of the optical range is located on the common axis of the antenna, the mirror annular lens, and the photodetector and is combined with a mirror image of the center of the matrix of the IR range relative to the spectrodividing element placed between them at an equal distance. The plane of the latter is parallel to the planes of both matrices and is perpendicular to the common axis. The mirror annular lens and the photodetector are mounted either directly on the surface of the planar antenna opposite its radiating side, or on a metal plate, which, in turn, is mounted and rigidly mounted on the indicated surface of the planar antenna or at a predetermined distance from it. In this case, the planar antenna from the side opposite to its radiating side, or the metal plate mentioned above, is equipped with elements for attaching the lens annular mirrors located at a distance from the axis corresponding to the radii of the annular mirrors, and an element for attaching a photodetector coaxially with the mirror annular lens. Moreover, the elements for attaching a parabolic annular mirror are made in the form of several protrusions located equidistant from the axis and uniformly in azimuth, and the element for attaching a hyperbolic annular mirror of the lens and photodetector is made in the form of a single hollow cylinder, coaxial with the mirror annular lens and having sections with different external diameters. In this case, the metal plate mentioned above, if it is attached to a planar antenna, is provided with slots or holes for mounting and fixing coaxial waveguide or coaxial-strip transitions on the planar antenna, and when the metal plate is located at an axial distance from the antenna equal to or greater than the height of the coaxial waveguide or coaxial strip transitions, the plate is equipped with holes for the passage of coaxial cables connecting the planar antenna to the transceiver Chick radar. The radar transceiver is located on the side of the planar antenna opposite to its radiating side. A planar microwave antenna with a mirror ring lens and a photodetector is configured to rotate (pump) in a given angular sector of the front hemisphere around the center, combined with the focus of the parabolic ring mirror. A planar microwave antenna with a mirror annular lens and a photodetector is connected to a device that ensures its rotation around the focus of a parabolic ring mirror in a given angular sector of the front hemisphere.

Расположенный в фотоприемнике спектроделительный элемент, прозрачный для излучения ИК-диапазона и зеркально отражающий в заданном участке оптического диапазона, выполнен в виде тонкой полупроводниковой пластины, на обеих сторонах которой нанесены соответствующие просветляющие многослойные диэлектрические пленки.A spectrodividing element located in the photodetector, which is transparent for IR radiation and specularly reflects in a given portion of the optical range, is made in the form of a thin semiconductor wafer, on both sides of which are coated antireflective multilayer dielectric films.

Исходя из тактико-технических требований к спектральным диапазонам частот и дальности обнаружения определенного класса целей, определяются диаметр 2R планарной СВЧ-антенны и заданный диаметр 2r круга, площадь которого равна приемной фронтальной площади параболического кольцевого зеркала с радиальной шириной Δr. Наружный радиус d зеркального кольцевого объектива, радиальная ширина Δr параболического кольцевого зеркала, фокусное расстояние F параболического кольцевого зеркала, толщина Δh зеркального кольцевого объектива в осевом направлении и угол раскрыва 2Ψ₀ параболического кольцевого зеркала с вершиной в фокусе этого зеркала определяются из следующих соотношений:Based on the tactical and technical requirements for the spectral frequency ranges and detection ranges of a certain class of targets, the diameter of the 2R planar microwave antenna and the given diameter of 2r circles are determined, the area of which is equal to the frontal area of the parabolic ring mirror with a radial width Δr. The outer radius d of the annular mirror lens, the radial width Δr annular parabolic mirror, the focal length F of the parabolic mirror annular thickness Δh annular mirror lens in the axial direction and opening angle 2Ψ ₀ annular parabolic mirror with apex at the focus of the mirror are determined from the following relationships:

d=(R²+r²)^1/2, Δr=d-R, F=0.5(d²-0.5r²)^1/2, Δh=r²/4F,d = (R ² + r ² ) ^1/2 , Δr = dR, F = 0.5 (d ² -0.5r ² ) ^1/2 , Δh = r ² / 4F,

2Ψ₀=2(180-arctg{(d/F)/[(d/2F)²-1]})°,2Ψ ₀ = 2 (180-arctan {(d / F) / [(d / 2F) ² -1]}) °,

где 2r - заданный диаметр круга, площадь которого равна приемной фронтальной площади параболического кольцевого зеркала с радиальной шириной Δr.where 2r is the specified diameter of the circle, the area of which is equal to the frontal area of the parabolic annular mirror with a radial width Δr.

При соблюдении оговоренных выше условий параболическое кольцевое зеркало отражает оптические и ИК-лучи, падающие на апертуру в периферийной ее части и параллельно ее оси, в сторону оси, под прямым углом к падающим лучам, направляя их на гиперболическое кольцевое зеркало. При этом лучи частично фокусируются благодаря параболическому кольцевому зеркалу. Гиперболическое кольцевое зеркало отражает эти лучи, фокусируя их в центр матрицы ИК-диапазона, совмещенный с фокусом зеркального кольцевого объектива. При этом осевая “толщина” светового потока на пути от параболического кольцевого зеркала к гиперболическому кольцевому зеркалу чрезвычайно мала, что открывает возможность объединения зеркального кольцевого объектива с планарной антенной произвольных размеров, не препятствуя прокачке и практически не влияя на положение приемопередатчика РЛС относительно антенны. В самом деле, величины Δh и Δr составляют единицы миллиметров при значениях R и r, равных, например, 100 и 30 мм соответственно. Кроме этого, полная осевая длина блока общей апертуры согласно изобретению во много раз (до 10 раз) меньше осевых размеров всех известных МДОА, включая прототип.Subject to the above conditions, a parabolic ring mirror reflects optical and infrared rays incident on the aperture in its peripheral part and parallel to its axis, towards the axis, at right angles to the incident rays, directing them to the hyperbolic ring mirror. In this case, the rays are partially focused due to the parabolic ring mirror. A hyperbolic ring mirror reflects these rays, focusing them in the center of the infrared matrix, combined with the focus of the mirror ring lens. In this case, the axial “thickness” of the light flux on the way from the parabolic ring mirror to the hyperbolic ring mirror is extremely small, which makes it possible to combine a mirror ring lens with a planar antenna of arbitrary sizes without interfering with pumping and practically without affecting the position of the radar transceiver relative to the antenna. In fact, the values of Δh and Δr are units of millimeters with the values of R and r equal to, for example, 100 and 30 mm, respectively. In addition, the total axial length of the block of the common aperture according to the invention is many times (up to 10 times) less than the axial dimensions of all known MDOAs, including the prototype.

Перечень чертежейList of drawings

Фиг.1 изображает осевое сечение известного зеркального объектива Кассегрена, из которого рассечением его по линии АВ образуется зеркальный кольцевой объектив согласно изобретению, а также ход оптических лучей.Figure 1 depicts an axial section of a well-known Cassegrain mirror lens, from which, by dissecting it along line AB, a mirror annular lens according to the invention is formed, as well as a path of optical rays.

Фиг.2 схематически изображает один из вариантов предложенной в изобретении конструкции МДОА.Figure 2 schematically depicts one of the variants proposed in the invention design MDOA.

Фиг.3 изображает графики зависимости размеров Δh (пунктирные линии) и Δr (сплошные линии) зеркального кольцевого объектива согласно изобретению от заданного диаметра 2r круга, площадь которого равна приемной фронтальной площади параболического кольцевого зеркала с радиальной шириной Δr при различных значениях диаметра планарной СВЧ-антенны 2R.Figure 3 depicts graphs of the dependence of the sizes Δh (dashed lines) and Δr (solid lines) of the mirror annular lens according to the invention on a given circle diameter 2r, the area of which is equal to the frontal area of the parabolic annular mirror with a radial width Δr at different values of the diameter of the planar microwave antenna 2R.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

На фиг.1 показано осевое сечение известного объектива Кассегрена с главным зеркалом в виде усеченного параболоида и контррефлектором в виде усеченного гиперболоида, а также ход нескольких оптических лучей, символизирующих плоскую волну, падающую фронтально на объектив. Штрихами выделена та часть 1 лучей, которая отражается периферийной частью 2 шириной Δh параболоида под прямым углом к направлению падения, фокусируется и направляется далее периферийной частью 3 шириной Δh гиперболоида в сторону фокуса F¹ и фокусируется в этой точке. Условием такого хода лучей является размещение фокуса F усеченного параболоида посредине отрезка Δh, являющегося осевой толщиной периферийной части объектива. Точки F и F¹ являются фокусами соответственно первой 4 и второй 5 ветвей гиперболы, причем первая ветвь гиперболы описывает профиль контррефлектора. При отсечении по линии AВ указанной периферийной части объектива Кассегрена с указанным выше расположением фокуса F образуется узкий в осевом направлении зеркальный кольцевой объектив 6 в виде двух концентрических кольцевых зеркал 2 и 3, который предлагается использовать в настоящем изобретении.Figure 1 shows an axial section of a known Cassegrain lens with a main mirror in the form of a truncated paraboloid and a counter-reflector in the form of a truncated hyperboloid, as well as the course of several optical rays symbolizing a plane wave incident frontally on the lens. The dashes indicate that part 1 of the rays, which is reflected by the peripheral part 2 of the Δh width of the paraboloid at right angles to the direction of incidence, is focused and directed further by the peripheral part 3 of the width Δh of the hyperboloid to the focus side F ¹ and focuses at this point. A condition for such a beam path is the placement of the focus F of the truncated paraboloid in the middle of the segment Δh, which is the axial thickness of the peripheral part of the lens. Points F and F ¹ are the foci of the first 4 and second 5 branches of the hyperbola, respectively, and the first branch of the hyperbola describes the profile of the counterreflector. When the peripheral part of the Cassegrain lens is cut off along line AB with the focus location F indicated above, an axially narrow mirror-shaped lens 6 is formed in the form of two concentric annular mirrors 2 and 3, which are proposed to be used in the present invention.

Фиг.2 схематически иллюстрирует устройство МДОА, где фиг.2(а) представляет вид устройства в плане, а фиг.2(б) - вид сечения А-А по линии разреза aobcd, а также упрощенную схему РЛС с блоком обработки многоспектрального эхо-сигнала. Планарная СВЧ-моноимпульсная антенна 7 в том виде, в котором она используется в односпектральном СВЧ-варианте, не подвергаясь каким-либо существенным конструктивным изменениям, объединяется с зеркальным кольцевым объективом 6, образуя единый антенный блок, или общую апертуру. Зеркальный кольцевой объектив образуется путем отсечения от известного объектива Кассегрена (помеченного пунктиром) его периферийной части и состоит из параболического кольцевого зеркала 2 и соосного с ним гиперболического кольцевого зеркала 3. Кольцевые зеркала 2 и 3, без изменения их взаимного расположения, устанавливаются либо непосредственно на поверхности планарной антенны, противоположной ее излучающей стороне (не показано), либо на прикрепленной к этой поверхности металлической пластине 8, снабженной соответствующими элементами крепления 9 и 10, либо на металлической пластине, установленной и укрепленной на заданном расстоянии от СВЧ-антенны (не показано). Зеркальный кольцевой объектив устанавливают так, что его ось совмещена с осью СВЧ-антенны, плоскость раскрыва параболического кольцевого зеркала перпендикулярна оси, а само параболическое кольцо выступало из-за антенны на свою радиальную ширину Δr, образуя необходимую светоприемную площадь. Соосно с зеркальным кольцевым объективом, по его центру, установлен фотоприемник 11, содержащий спектроделительную пластину 12, матрицу ИК-диапазона 13 с устройством охлаждения 14 и матрицу оптического диапазона 15, причем центр матрицы ИК диапазона совмещен с фокусом F¹, а центр матрицы оптического диапазона размещен на общей оси СВЧ-антенны и зеркального кольцевого объектива в точке, являющейся зеркальным изображением фокуса F¹ относительно пластины 12, равноудаленной от обеих матриц.Figure 2 schematically illustrates an MDOA device, where Figure 2 (a) is a plan view of the device, and Figure 2 (b) is a sectional view Aa along the aobcd cut line, as well as a simplified radar scheme with a multispectral echo processing unit signal. The planar microwave monopulse antenna 7 in the form in which it is used in the single-spectral microwave version, without undergoing any significant structural changes, combines with the mirror annular lens 6, forming a single antenna unit, or a common aperture. The mirror annular lens is formed by cutting off the peripheral part from the well-known Cassegrain lens (dotted) and consists of a parabolic annular mirror 2 and a hyperbolic annular mirror 3 coaxial with it. Annular mirrors 2 and 3, either without changing their relative position, are mounted either directly on the surface a planar antenna opposite its radiating side (not shown), or on a metal plate 8 attached to this surface, provided with corresponding elements attachment 9 and 10, or a metal plate and hardened installed at a predetermined distance from the microwave antenna (not shown). The mirror annular lens is mounted so that its axis is aligned with the axis of the microwave antenna, the aperture plane of the parabolic ring mirror is perpendicular to the axis, and the parabolic ring itself protrudes from its antenna to its radial width Δr, forming the necessary light-receiving area. A photodetector 11 is mounted coaxially with the mirror annular lens, at its center, comprising a spectrodividing plate 12, an infrared array 13 with a cooling device 14, and an optical array 15, the center of the infrared array being aligned with focus F ¹ , and the center of the optical array placed on the common axis of the microwave antenna and the mirror annular lens at a point that is a mirror image of the focus F ¹ relative to the plate 12, equidistant from both matrices.

На неизлучающей стороне моноимпульсной СВЧ-антенны имеются три СВЧ-выхода, которые с помощью коаксиально-волноводных 16 или коаксиально-полосковых (не показаны) переходов и коаксиальных кабелей 17, 18 и 19 соединены с приемопередатчиком. При креплении зеркального кольцевого объектива и фотоприемника на пластине 5 в последней предусмотрены пазы или отверстия для установки и крепления к антенне упомянутых переходов и прохождения коаксиальных кабелей.On the non-radiating side of the monopulse microwave antenna, there are three microwave outputs that are connected to the transceiver using coaxial waveguide 16 or coaxial-strip (not shown) junctions and coaxial cables 17, 18 and 19. When mounting the mirror ring lens and the photodetector on the plate 5, the latter has slots or holes for installing and attaching the mentioned junctions and passing coaxial cables to the antenna.

Общая апертура МДОА работает следующим образом. Планарная СВЧ-антенна своей рабочей стороной, снабженной излучателями волноводно-щелевого или пластинчатого типа, излучает в пространство зондирующие импульсы и принимает эхо-сигналы, причем ее диаграмма направленности практически не отличается от таковой у отдельно взятой антенны, т.е. при отсутствии зеркального кольцевого объектива. Это связано с тем, что радиальная ширина Δr параболического кольцевого зеркала, опоясывающего СВЧ-антенну, чрезвычайно мала по сравнению с диаметром антенны и сдвинута в сторону неизлучающей поверхности антенны на ширину антенны. Оптические и ИК-лучи 1 (фиг.1), падающие параллельно оси антенны на параболическое кольцевое зеркало, отражаются этим зеркалом под прямым углом в сторону оси, попадают на гиперболическое кольцевое зеркало, которое направляет сходящийся пучок в фокус F¹, т.е. в центр матрицы ИК-диапазона. В фотоприемнике на пути сходящегося пучка установлена спектроделительная плоскопараллельная пластина, прозрачная для ИК-лучей и зеркально отражающая в выбранном участке оптического диапазона, причем пластина параллельна плоским матрицам и перпендикулярна общей оси; отраженные пластиной оптические лучи сходятся в центре матрицы оптического диапазона..The general aperture of the MDOA works as follows. A planar microwave antenna with its working side, equipped with emitters of a waveguide-slot or plate type, emits probe pulses into space and receives echo signals, and its radiation pattern is practically no different from that of a single antenna, i.e. in the absence of a mirror annular lens. This is due to the fact that the radial width Δr of the parabolic ring mirror encircling the microwave antenna is extremely small compared to the diameter of the antenna and is shifted toward the non-radiating surface of the antenna by the width of the antenna. Optical and infrared rays 1 (Fig. 1) incident parallel to the axis of the antenna on a parabolic ring mirror are reflected by this mirror at right angles to the axis axis and fall on a hyperbolic ring mirror, which directs the converging beam into focus F ¹ , i.e. to the center of the infrared matrix. In the photodetector, on the path of the converging beam, a spectral-dividing plane-parallel plate is installed, transparent for IR rays and mirroring in the selected region of the optical range, the plate being parallel to the flat matrices and perpendicular to the common axis; the optical rays reflected by the plate converge in the center of the matrix of the optical range.

На фиг.3 показана зависимость величин Δh и Δr от 2r при различных значениях 2R, из которой, например, следует, что при диаметре СВЧ-антенны, равном 200 мм, радиальная ширина параболического кольцевого зеркала Δr равна 4.25 мм, а приемная фронтальная площадь параболического кольцевого зеркала равна площади круга диаметром 60 мм.Figure 3 shows the dependence of Δh and Δr on 2r for various values of 2R, from which, for example, it follows that when the diameter of the microwave antenna is 200 mm, the radial width of the parabolic ring mirror Δr is 4.25 mm, and the receiving frontal area of the parabolic An annular mirror is equal to the area of a circle with a diameter of 60 mm.

Таким образом, в изобретении предлагается многоспектральный датчик с общей апертурой, достоинством которого является компактность общей апертуры в продольном направлении и возможность прокачки в пространстве передней полусферы в большом угловом секторе; по компактности, по электрическим параметрам СВЧ-антенны и по параметрам прокачки общая апертура МДОА практически не уступает СВЧ-антенне в односпектральном СВЧ-варианте. Большим достоинством предлагаемого МДОА является использование в нем трех спектральных диапозонов в отличие от известных конструкций МДОА, включая прототип, в которых используется только два спектральных диапазона.Thus, the invention provides a multispectral sensor with a common aperture, the advantage of which is the compactness of the common aperture in the longitudinal direction and the possibility of pumping in the space of the front hemisphere in a large angular sector; in terms of compactness, electrical parameters of the microwave antenna and pumping parameters, the total aperture of the MDOA is practically not inferior to the microwave antenna in the single-spectrum microwave version. A great advantage of the proposed MDOA is the use of three spectral ranges in it, in contrast to the known MDOA designs, including the prototype, in which only two spectral ranges are used.

Источники информацииSources of information

1. Jay В. Winderman, Fernand В. Kuffer. Multi-spectral detection system with common collecting means. U.S. Patent 4282527 Aug.4, 1981.1. Jay W. Winderman, Fernand W. Kuffer. Multi-spectral detection system with common collecting means. U.S. Patent 4282527 Aug.4, 1981.

2. Arthur С. Levitan. MM - Wave and Infrared. A Hybrid for All-Weather Weapons Delivery. Military Electronics/Countermeasures, February 1982.2. Arthur C. Levitan. MM - Wave and Infrared. A Hybrid for All-Weather Weapons Delivery. Military Electronics / Countermeasures, February 1982.

3. E.Т.Benser, J. Allen Сох, Н.В. French. Infrared / millimeter wave common-aperture optics. Optical Engineering, January 1989, Vol. 28 No.1.3. E. T. Benser, J. Allen Sox, N.V. French Infrared / millimeter wave common-aperture optics. Optical Engineering, January 1989, Vol. 28 No.1.

4. Fernand В. Kuffner, R.F. Transparent RF/UV-IR Detector Apparatus U.S. Patent 5327149, Jul.5, 1994.4. Fernand B. Kuffner, R.F. Transparent RF / UV-IR Detector Apparatus U.S. Patent 5327149, Jul. 5, 1994.

Claims

1. A multispectral sensor with a common aperture, comprising a radar transceiver, a planar microwave monopulse antenna, a Cassegrain-type mirror ring lens, a spectro-splitting element and a photodetector array with a cooling device, characterized in that the lens is short-focus in the form of two axially narrow concentric ring mirrors, formed by cutting off the peripheral parts of the parabolic and hyperbolic mirrors, while the lens and the photodetector containing an infrared matrix, the optical range and the spectrodividing element are mounted on the antenna side opposite to its radiating side and are rigidly connected to it, the axis of the lens and the photodetector are aligned with the axis of the antenna, the aperture plane of the parabolic ring mirror is perpendicular to the antenna axis, the outer radius d of the lens exceeds the radius R of the antenna by Δr, and the center of the infrared matrix is aligned with the focus of the lens, which is the focus of the second branch of the hyperbola, the first branch of which describes the profile of the hyperbolic a mirror, and the center of the matrix of the optical range is located on the common axis of the antenna, lens, and photodetector and is aligned with a point that is a mirror reflection of the center of the matrix of the infrared range relative to the spectrodividing element located between them at an equal distance, the plane of which is parallel to the planes of both matrices and is perpendicular to the common axis, the outer radius d of the lens, the radial width Δr of the parabolic annular mirror, the focal length F of the parabolic annular mirror, the thickness Δh bektiva axially and spread angle 2Ψ ₀ annular parabolic mirror with apex at the focus of the mirror are determined from the following relationships:

d = (R ² + r ² ) ^1/2 ,

Δr = d-R,

F = 0.5 (d ² -0.5r ² ) ^1/2 ,

Δh = r ² / 4F,

2Ψ ₀ = 2 (180-arctan {(d / F) / [(d / 2F) ² -1]}) °,

where 2r is the specified diameter of the circle, the area of which is equal to the frontal area of the parabolic annular mirror with a radial width Δr.

2. A multispectral sensor with a common aperture according to claim 1, characterized in that the antenna from the side opposite to its radiating side is provided with elements for mounting ring lens mirrors located at a distance from the axis corresponding to the radii of the ring mirrors, an element for attaching a photodetector located coaxially with the lens.

3. A multispectral sensor with a common aperture according to claim 1, characterized in that on the surface of the antenna opposite its radiating side, a metal plate is installed and rigidly fixed on it, which is equipped with elements for mounting ring lenses of the lens located at a distance from the common axis, corresponding to the radii of the annular mirrors, an element for attaching a photodetector coaxially with the lens, and grooves or holes for mounting and attaching a coaxial waveguide or coaxial strip to the antenna new transitions.

4. A multispectral sensor with a common aperture according to claim 1, characterized in that it is fixed and rigidly mounted on the antenna side opposite to its radiating side at an axial distance from the antenna equal to or greater than the height of the coaxial waveguide or coaxial strip transitions a metal plate is mounted on the antenna, which is equipped with elements for mounting the annular mirrors of the lens, located at a distance from the common axis corresponding to the radii of the ring mirrors, with an element for attaching a photodetector ika and holes for passage of coaxial cables connecting with antenna radar transceiver.

5. A multispectral sensor with a common aperture according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the elements for mounting the parabolic annular mirror of the lens are made in the form of protrusions located equidistant from the common axis and uniformly in azimuth.

6. A multispectral sensor with a common aperture according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the element for attaching a hyperbolic annular mirror of the lens and the photodetector is made in the form of a single hollow cylinder coaxial with the lens and having sections with different outer diameters.

7. A multispectral sensor with a common aperture according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the radar transceiver is located on the side of the antenna opposite its radiating side.

8. A multispectral sensor with a common aperture according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the antenna with a lens and a photodetector is configured to rotate in a given angular sector of the front hemisphere around the center, combined with the focus of the parabolic ring mirror.

9. A multispectral sensor with a common aperture according to claim 8, characterized in that the antenna with a lens and a photodetector is connected to a device that ensures its rotation around the focus of a parabolic ring mirror in a given angular sector of the front hemisphere.

10. A multispectral sensor with a common aperture according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the spectrodividing element located in the photodetector, transparent for IR radiation and mirroring in a given portion of the optical range, is made in the form of a thin semiconductor wafer, on both the sides of which are coated with corresponding antireflective multilayer dielectric films.