Nghiên cứu, tính toán công suất laser cho thiết bị phát hiện khí tài quang điện tử đối phương trên cơ sở kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm

Bài viết Nghiên cứu, tính toán công suất laser cho thiết bị phát hiện khí tài quang điện tử đối phương trên cơ sở kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm nghiên cứu tính toán công suất laser cho thiết bị phát hiện khí tài quang điện tử đối phương.

Điện tử – Vật lý – Đo lường Nghiên cứu, tính tốn cơng suất laser cho thiết bị phát khí tài quang điện tử đối phương sở kết hợp lý thuyết thực nghiệm Phạm Thanh Quang*, Lê Văn Hoàng, Trần Quốc Tuấn Viện Vật lý Kỹ thuật * Email: thanhquangvlkt@gmail.com Nhận bài: 9/9/2022; Hoàn thiện: 18/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 23/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.146-153 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu tính tốn cơng suất laser cho thiết bị phát khí tài quang điện tử (KTQĐT) đối phương Phương pháp thực kết hợp lý thuyết thực nghiệm Qua đó, xây dựng cơng thức tính tốn cơng suất laser làm sở giải tốn lượng lĩnh vực nghiên cứu tính tốn thiết kế thiết bị phát KTQĐT Từ khố: Khí tài quang điện tử; Phản xạ ngược; Phát khí tài quang điện tử MỞ ĐẦU Cùng với đời loại vũ khí, hỏa lực nhu cầu sử dụng KTQĐT nhằm nâng cao hiệu sử dụng vũ khí đặt KTQĐT trang bị rộng rãi cho lực lượng Quân đội, Công an, chứng minh ưu điểm vượt trội chiến trường, giúp cho việc phát hiện, cảnh giới tiêu diệt mục tiêu từ khoảng cách xa mà đối phương phát Trong q trình tác chiến, vũ khí khí tài đối phương thường ngụy trang kỹ (hình 1) [1] khoảng cách đủ lớn, gây nhiều khó khăn cho việc phát đối phương phát KTQĐT chúng Tuy nhiên, để quan sát mục tiêu bề mặt quang học KTQĐT phải lộ diện Trên sở đó, phát đối phương theo nguyên lý phản xạ ngược chùm xạ quang học (hình 2) [1] Nguyên lý dựa sở chiếu chùm laser tới KTQĐT đối phương có chùm phản xạ ngược vào thiết bị bị phát Bài toán đặt cần phải xác định công suất laser để đảm bảo việc phát KTQĐT đối phương Hình Hình ảnh xạ thủ ngụy trang ngắm bắn mục tiêu Hình Hình ảnh phát KTQĐT đối phương theo nguyên lý phản xạ ngược Trên giới, có nhiều nghiên cứu lĩnh vực phát KTQĐT đối phương Các nghiên cứu nguyên lý kết cấu hệ quang cho thiết bị phát KTQĐT đối phương [2, 3] Một số nghiên cứu xây dựng cơng thức tính cơng suất chùm phản xạ ngược [4-6] vào thiết bị Tuy nhiên, nghiên cứu chưa tường minh gây khó hiểu người đọc, đặc biệt người lần đầu tiếp xúc với lĩnh vực Đồng thời, nghiên cứu chưa tính cụ thể cơng suất laser cần đạt để phát KTQĐT đối phương cự ly định 146 P T Quang, L V Hồng, T Q Tuấn, “Nghiên cứu, tính tốn … lý thuyết thực nghiệm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Ở nước, việc nghiên cứu lĩnh vực phát KTQĐT cịn sơ khai chưa có thành tựu Các nghiên cứu dựng lại việc nghiên cứu nguyên lý phản xạ ngược ảnh hưởng yếu tố bên ngồi đến [9] Trong báo này, chúng tơi trình bày q trình xây dựng lại cơng thức tính tốn giá trị công suất laser (trên sở tham khảo công thức tài liệu [4, 5]) theo lý thuyết kết hợp với thực nghiệm qua áp dụng vào tốn thực tế q trình tính tốn, thiết kế thiết bị phát KTQĐT sau XÂY DỰNG CƠNG THỨC TÍNH CƠNG SUẤT LASER CHO THIẾT BỊ PHÁT HIỆN KTQĐT ĐỐI PHƯƠNG 2.1 Xây dựng phương trình ban đầu Nguyên lý làm việc thiết bị phát KTQĐT đối phương thể hình [4] Laser phát với góc khối θ s, truyền qua khí để tới KTQĐT đối phương Tại đây, phần lượng vào khí tài đối phương, có phần phản xạ ngược lại với góc khối θr thiết bị phát Một phần lượng vào kênh thu tín hiệu cho tín hiệu Bài tốn đặt cần tính tốn lượng laser cần thiết để phát KTQĐT đối phương Hình Sơ đồ nguyên lý tượng phản xạ ngược Để tính cơng suất laser, cần tính phần lượng vào kênh thu tín hiệu Phần lượng đảm bảo lớn độ nhạy đầu thu (thực tế lớn tín hiệu ngưỡng phơng nền) Như vậy, báo tính tốn lý thuyết theo độ nhạy đầu thu, phần thực nghiệm xác định công suất laser thực tế để đảm bảo đủ lương để phát KTQĐT đối phương Dựa lý thuyết truyền lượng ánh sáng khí KTQĐT, báo xây dựng biểu diễn trình truyền lượng laser từ hệ phát đến vào đầu thu theo sơ đồ hình (phần lượng vào khối ghi phía mũi tên): Laser qua hệ quang phát laser (có hệ số truyền qua τhqp) qua khí đến mục tiêu cự ly R (có hệ số truyền qua τkq) phần vào KTQĐT đối phương (tỉ số tín hiệu vào tín hiệu bề mặt KTQĐT α), qua vật kính (hệ số truyền qua τ hqdp) tới tiêu diện vật kính, có đặt kính vạch EOP, CCD, CMOS, (có hệ số phản xạ ρ), chùm phản xạ ngược quay trở lại, qua vật kính (hệ số truyền qua τhqdp) truyền qua khí (hệ số truyền qua τkq) phần vào hệ quang thu (tỉ lệ tỉ số tín hiệu vào tín hiệu bề mặt KTQĐT β), qua vật kính hệ quang thu (có hệ số truyền qua τhqth) gây nên phản ứng đầu thu Theo hình 4, dễ dàng thấy phần cơng suất vào đầu thu kênh thu nhận tín hiệu phản xạ ngược có giá trị là: P6= τhqp.τ2kq.τ2hqph.α.ρ.β.τhqthu Plaser Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 (1) 147 Điện tử – Vật lý – Đo lường Laser Plaser P1 Hệ quang phát τhqp.τkq Plaser P2 τhqp.τkq.α.τhqph Plaser P3 Vật kính KTQĐT đối phương Kính vạch (hoặc EOP, CCD, CMOS,…) τhqp.τkq.τhqph.α.ρ Plaser P4 Đầu thu thu nhận tín hiệu phản xạ τhqp.τ2kq.τ2hqph.α.ρ.β.τhqthu Plaser P6 Vật kính kênh thu τhqp.τkq.τ2hqph.α.ρ Plaser Vật kính P5 KTQĐT đối phương Hình Sơ đồ trình truyền lượng thiết bị phát KTQĐT đối phương Bây giờ, báo xác định công thức tính α β Xác định cơng thức tính α α tỉ số phần lượng vào so với phần lượng đến mặt phẳng cửa quang vào KTQĐT đối phương Tỉ số tỉ số diện tích phần cửa quang vào với phần diện tích mà laser gây mặt cắt cửa quang vào KTQĐT đối phương Hình đưa mơ chùm laser đến mặt cắt Theo đó, dễ dàng có cơng thức tính giá trị α  2  Dhqph /4 Dhqph   ( R.tg ( S / 2))2 R 2 S2 (2) Hình Chùm sáng laser đến KTQĐT đối phương Tương tự vậy, xác định cơng thức tính β  Dhqthu (3) R 2 r2 Với Dhqph, Dhqthu đường kính cửa quang vào KTQĐT đối phương kênh thu thiết bị phát Từ (1), (2), (3) xác định cơng thức tính công suất phản xạ ngược vào đầu thu thiết bị là: P6   hqp  hqthu  hqph   kq 2 Dhqph Dhqthu R  S2  r2 Plaser (4) Đối chiếu với phương trình đưa tài liệu [4], ta thấy phương trình báo xây dựng nên đầy đủ, tường minh Qua đó, khẳng định tính đắn q trình thực Để thiết bị làm việc cơng suất phải lớn công suất gây nên phản ứng đầu thu (thực tế cơng suất P6 phải lớn giá trị ngưỡng đó, giá trị ngưỡng tỉ lệ với công suất gây nên phản ứng đầu thu Giá trị tính tốn qua thực nghiệm) Công suất ngưỡng gây lên phản ứng đầu thu có giá trị sau [8]: 148 P T Quang, L V Hoàng, T Q Tuấn, “Nghiên cứu, tính tốn … lý thuyết thực nghiệm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ P0  tt ab. DT (5) D* Trong đó: µtt tỉ số tín tạp (tỉ số tín/ngưỡng), để gây lên phản ứng đầu thu giá trị µtt≥1; a, b kích thước điểm ảnh đầu thu theo hai chiều tính theo cm; D * độ nhạy ngưỡng đầu thu; ΔνDT tần số làm việc đầu thu Từ điều kiện để phát KTQĐT đối phương (P6≥P0) ta có cơng suất nhỏ laser cần thỏa mãn điều kiện: Plaser  ab. DT D* R  S2  r2 2 2 Dhqph Dhqth u  hqp  hqthu  hqph  kq  (6) Như vậy, báo xây dựng cơng thức tính cơng suất laser để lượng phản xạ gây nên phản ứng đầu thu Tuy nhiên, toán phát KTQĐT đối phương phần lượng vào đầu thu phải lớn lượng phơng Do đó, cần có hệ số N phù hợp để phần lượng laser phản xạ vào đầu thu gây tín hiệu lớn tín hiệu phơng nên gây Do đó, nhóm tác giả đề xuất cơng thức tính cơng suất laser cho thiết bị phát KTQĐT theo công thức: P  N ab. DT D* R  S2  r2 2 Dh2qph Dh2qthu  hqp  hqthu  hq ph  kq  (7) Nhận xét: Có thể thấy rằng, cơng suất laser phụ thuộc vào yếu tố sau: - Đầu thu: số điểm ảnh, tần số làm việc độ nhạy đầu thu - Khoảng cách làm việc hay gọi cự ly phát KTQĐT đối phương (tỉ lệ mũ 4) - Góc phát laser (tỉ lệ mũ 4) góc phản xạ tỉ lệ thuận với góc phát (θr ~ θs) - KTQĐT đối phường: đường kính, hệ số truyền qua vật kính, hệ số phản xạ thành phần đặt tiêu diện kính vật - Hệ quang thu: đường kính cửa quang vào, hệ số truyền qua - Yếu tố môi trường (hệ số truyền qua môi trường) 2.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 2.2.1 Tham số đầu vào để tính tốn Sử dụng laser có bước sóng 1550 nm laser an tồn với mắt người Góc mở chùm laser nhóm tác giả lựa chọn θs=0,6⁰ để đảm bảo khả sục sạo tìm kiếm mục tiêu góc định mà đảm bảo lượng truyền xa Do góc mở laser nhỏ nên θr≈ θs=0,6⁰ Do dùng laser 1550nm nên hệ thống quang học kênh thu vật kính camera hoạt động vùng phổ SWIR (900 đến 1700nm); cự ly phát khí tài R=1000 m, với đầu thu xạ lựa chọn trước với tham số: độ phân giải 640x512 pixels, kích thước pixel (17x17) µm, khả phát riêng trung bình D*=4,2.1013(W-1.cm.Hz1/2), tần số khung hình 60 Hz Với mong muốn phát KTQĐT đối phương có độ 30mm nên Dhqph=30mm Với hệ quang phát hệ quang thu, hệ quang nhóm tác giả thiết kế nên kiểm sốt tham số Đường kính cửa quang vào hệ quang thu Dhqthu=37,5mm Hệ quang gồm có 04 thấu kính, với thấu kính có hệ số truyền qua τ=0,95 sau mạ nên τhqp=τhqthu=0,954≈0,81 Hệ số truyền qua khí với bước sóng 1550nm cự ly 1km là: τkq=0,86 [7] Như vậy, cần xác định hệ số truyền qua vật kính KTQĐT đối phương hệ số phản xạ bề mặt đặt tiêu diện vật kính Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 149 Điện tử – Vật lý – Đo lường Hệ số phản xạ ρ, tham khảo [4] xác định số phản xạ, ρ = ρmin ≈ 7%=0,07 Hệ số truyền qua vật kính KTQĐT đối phương, báo tiến hành đo hệ số truyền qua phẳng mạ truyền qua dải phổ làm việc ngày, kết đưa hình 100 80 %T 60 40 30 300 500 Bước sóng (nm) 1500 1600 Hình Phổ truyền qua phẳng mạ truyền qua vùng nhìn thấy Theo đó, hệ số truyền qua bước sóng 1550nm (bước sóng laser) vào khoảng τ=0,86 Với vật kính KTQĐT, giả sử (thơng thường) có thấu kính, đó, hệ số truyền qua vật kính KTQĐT đối phương là: τhqph=0,864=0,55 Với tất liệu trên, thay vào công thức (6) ta xác định công suất laser nhỏ cần đạt để chùm tín hiệu phản xạ ngược vào đầu thu gây phản ứng đầu thu: Plaser.min ≥ 0,17 (W) 2.2.2 Tiến hành thực nghiệm a Dụng cụ, thiết bị, phương tiện thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm đưa hình Theo đó, mơ hình gồm có: - Camera vùng phổ hồng ngoại gần SWIR, có tiêu cự 75mm, cửa quang vào 37,5mm (F/#=2); - Kênh phát laser gồm có: 01 laser bước sóng 1550nm thay đổi cơng suất với giá trị lớn 2,5W, hệ quang tạo góc mở cho laser đạt giá trị 0,60; - Thiết bị đo công suất laser di động; - KTQĐT đối phương kính ngắm PSO-1, độ phóng đại 4x, đường kính cửa quang vào 30 mm; - Màn hình quan sát Hình Mơ hình thực nghiệm đánh giá khả phát KTQĐT đối phương b Điều kiện thực nghiệm: Thực tế, nhóm tác giả thử nghiệm nhiều lần Kết buổi thử nghiệm tương đồng với điều kiện thời tiết (nhiệt độ xấp xỉ 30⁰C) Dưới buổi thử nghiệm 150 P T Quang, L V Hồng, T Q Tuấn, “Nghiên cứu, tính toán … lý thuyết thực nghiệm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ thực địa - Thực nghiệm trường bắn Đồng Doi - Cự ly thử nghiệm: km (khoảng cách thiết bị KTQĐT đối phương) - Thời gian thực nghiệm: 17h30 ngày 28/06/2022 - Điều kiện thời tiết: nhiệt độ mơi trường 30⁰C, tầm nhìn khí tượng 10km c Quá trình thực nghiệm: - Gá chắn KTQĐT đối phương (kính ngắm PSO-1) thiết bị phát KTQĐT, hướng hai thiết bị vào - Khởi động thiết bị phát cách cấp nguồn cho laser Camera SWIR - Để công suất laser mức cao 2,5W, tiến hành sục sạo tìm kiếm phát KTQĐT đối phương Khi thấy vết sáng che phía trước KTQĐT vết sáng bị tối khẳng định vết sáng chùm phản xạ ngược KTQĐT gây - Điều chỉnh tầm hướng hai thiết bị để vết sáng đạt độ sáng lớn Cố định tầm hướng hai thiết bị - Lúc lại đưa laser công suất 0,17W (giá trị ngưỡng) tăng lên từ từ đến hình quan sát vết sáng dừng lại tiến hành đo giá trị công suất - Q trình thực nhiều lần nhiều người khác để tính giá trị trung bình Hình đưa độ sáng vết phản xạ với giá trị công suất khác quan sát qua hình Kết cho thấy cơng suất laser cần đạt P laser=1,5W phát KTQĐT đối phương Vết phản xạ Vết phản xạ a Vết phản xạ công suất P=1,5W b Vết phản xạ công suất P=1,8W Vết phản xạ Vết phản xạ c Vết phản xạ công suất P=2,2W d Vết phản xạ cơng suất P=2,5W Hình Hình ảnh vết phản xạ ngược mức độ công suất laser khác KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, THẢO LUẬN 3.1 Kết thực nghiệm Qua thực nghiệm cho thấy, với giá trị công suất laser khác vết sáng phản xạ có cường độ khác Vết sáng có cường độ lớn giá trị cơng suất lớn Qua q trình khảo sát với mẫu KTQĐT đối phương khác (các kính ngắm PSO-1 khác nhau) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 151 Điện tử – Vật lý – Đo lường với lần thực khác giá trị cơng suất laser cần đạt Plaser=1,5W người quan sát phát vết sáng chùm lượng phản xạ ngược quay trở Tức phát KTQĐT đối phương Như vậy, tỉ lệ giá trị thực tế giá trị tính tốn sau: P 1,5 N  laser   (lần) Plaser 0,17 Có khác do: q trình tính tốn lý thuyết tính phần lượng gây nên phản ứng đầu thu Tuy nhiên, tốn phát KTQĐT đối phương phần lượng vào đầu thu phải lớn lượng phơng Với phơng khác giá trị khác Khi nhiệt độ thay đổi điều kiện chiếu sáng thay đổi phơng nên thay đổi Với điều kiện phát KTQĐT nhiệt độ 25⁰C giá trị hồn tồn thỏa mãn (N=9) Song, để tính tốn cơng suất laser cho thiết bị phát KTQĐT đối phương, đề xuất công suất laser phải thỏa mãn điều kiện là: Plaser≥10.Plaser-lt Kết hợp lý thuyết thực nghiệm, báo đề xuất cơng thức tính giá trị công suất laser cho thiết bị phát KTQĐT (điều kiện thời tiết: nhiệt độ môi trường nhỏ 30⁰C, tầm nhìn khí tượng 10km) sau: √ (8) 3.2 Thảo luận Việc tính tốn cơng suất laser cho thiết bị phát KTQĐT đối phương toán phức tạp Có thể thấy, cơng suất laser phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: hệ quang phát, điều kiện khí tượng, KTQĐT phát hiện, hệ quang thu, Kết thực nghiệm lớn nhiều so với lý thuyết Có khác cơng suất tính lý thuyết gây cơng suất gây nên phản ứng đầu thu Tuy nhiên, để phát KTQĐT đối phương vết phản xạ phải có cường độ sáng lớn cường độ sáng phông nên gây (tức lượng phải lớn lượng yếu tố phông khác) KẾT LUẬN Kết hợp lý thuyết thực nghiệm, báo bước đầu đề xuất phương trình tính cơng suất laser cho thiết bị phát KTQĐT đối phương điều kiện thời tiết cụ thể Kết làm sở cho việc giải tốn lượng tính tốn, thiết kế thiết bị phát KTQĐT đối phương Hệ số N thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác đặc biệt điều kiện khí tượng Tuy nhiên, với hầu hết điều kiện làm việc khí tài nhiệt độ 25⁰C, độ ẩm 80%, tầm nhìn khí tượng 10km phương trình mà báo đưa đáng để xem xét Tuy nhiên, để đảm bảo tính khách quan tính đắn phương trình đề xuất cần nhiều trình thực nghiệm nhiều thời gian Kết khơng áp dụng riêng cho tính tốn cơng suất laser mà cịn áp dụng q trình xác định tham số kênh phát, kênh thu tín hiệu laser (ví dụ độ kênh thu) Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí đề tài cấp Bộ Quốc phòng“Nghiên cứu thiết kế, chế thử thiết bị dùng để phát khí tài quang điện tử đối phương” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Arjan L Mieremet, Arjan L Mieremet, Ric (H.)M.A Schleijpen, “Modeling the detection of optical sights using retro-reflection” 2509 JG The Hague, The Netherlands ENSIETA, 29806 Brest Cedex 9, France 152 P T Quang, L V Hồng, T Q Tuấn, “Nghiên cứu, tính tốn … lý thuyết thực nghiệm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [2] Raghavendra S Solanki, Vrinda Khurana, “Simulation and Experimental Studies on Retro Reflection for Optical Target Detection”, 3rd International Conference on Microwave and Photonics (ICMAP 2018), 9-11 February, (2018) [3] Patent US 7,456,944 B2, Apparatus and methode for detection of optical system is in a terran area [4] Patent US 8,228,591 B1, Handheld optics detection system [5] M Kastek*, R Dulski, P Trzaskawka, G Bieszczad, “Sniper detection using infrared camera – technical possibilities and limitations”, Institute of ptoelectronics, Military University of Technology, gen S Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland, (2010) [6] Carl Brännlund, Jonas Tidström, Markus Henriksson, “Combined hostile fire and optics detection”, Lars Sjöqvist Laser Systems Group, Division of Sensor and EW Systems, FOI - Swedish Defence Research Agency, Box 1165, SE 581 11 Linköping, Swede, (2013) [7] John W.Zelle, “Effects of atmosphere on free-space optical transmission at 1.55 μm,” Proc Of SPIE Vol 7833 783313-1TC, 10 (2010) [8] Ю Г Якушенков, “Теория и расчет оптико- электронных приборов”, 4-е издание, Москва, tr 58-64, (1999) [9] Nguyễn Ngọc Tường, “Khảo sát tượng phản xạ ngược khí tài quang điện tử”, Đồ án tốt nghiệp bậc đại học năm 2019, Học viện Kỹ thuật Quân sự, (2019) ABSTRACT Research and calculate laser power for enemy optoelectronic detection system on the basis of a combination of theory and experiment This paper presents the results of the study to calculate the laser power for enemy optoelectronic detec system The implementation method is a combination of theory and experiment Thereby, a formula for calculating laser power was built as a basis for solving energy problems in the field of research calculation, design enemy optoelectronic detec system Keywords: Optoelectronic; Retro-reflection; Optoelectronic detection Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 153 ... để tính tốn cơng suất laser cho thiết bị phát KTQĐT đối phương, đề xuất công suất laser phải thỏa mãn điều kiện là: Plaser≥10.Plaser-lt Kết hợp lý thuyết thực nghiệm, báo đề xuất cơng thức tính. .. khác) KẾT LUẬN Kết hợp lý thuyết thực nghiệm, báo bước đầu đề xuất phương trình tính cơng suất laser cho thiết bị phát KTQĐT đối phương điều kiện thời tiết cụ thể Kết làm sở cho việc giải toán. .. lại cơng thức tính tốn giá trị cơng suất laser (trên sở tham khảo công thức tài liệu [4, 5]) theo lý thuyết kết hợp với thực nghiệm qua áp dụng vào tốn thực tế q trình tính tốn, thiết kế thiết bị