Bài viết trình bày một giải pháp thiết kế hệ quang tích hợp kênh ngắm ngày và thiết bị đo xa laser trong kính ngắm pháo thủ trên xe tăng T54B, T55 theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B do Hungari cải tiến.
Nghiên cứu khoa học cơng nghệ GIẢI PHÁP TÍCH HỢP KÍNH NGẮM NGÀY VỚI ĐO XA LASER Nguyễn Thu Cầm, Nguyễn Văn Thương, Mai Nguyệt Cơng, Nguyễn Mạnh Thắng* Tóm tắt: Nghiên cứu tính tốn thiết kế để tích hợp kính ngắm ngày với thiết bị đo xa laser tổ hợp quang điện tử hệ thống quan sát, bám bắt mục tiêu điều khiển hỏa lực tốn khó, phức tạp Trong đó, vừa phải đảm bảo chất lượng hình ảnh qua kênh quan sát, vừa đảm bảo lượng xạ thu lớn cho đầu thu không làm ảnh hưởng đến mắt người quan sát Trong báo, tác giả trình bày giải pháp thiết kế hệ quang tích hợp kênh ngắm ngày thiết bị đo xa laser kính ngắm pháo thủ xe tăng T54B, T55 theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B Hungari cải tiến Từ khóa: Ăng ten thu, Đo xa laser, Kính ngắm ngày, Tích hợp kính ngắm ngày đo xa laser ĐẶT VẤN ĐỀ Trong hệ thống quang điện tử phức tạp có kênh quan sát ngày, đêm thiết bị đo xa laser, đòi hỏi phải tối ưu kích thước trọng lượng, giải pháp thường sử dụng tích hợp kênh quan sát ngày với thiết bị đo xa laser [1-3] Thông thường, kênh quan sát ngày bao gồm hệ kính vật hệ thị kính; thiết bị đo xa laser bao gồm hệ quang kênh phát hệ quang kênh thu Một vấn đề quan trọng hàng đầu việc tích hợp hai thiết bị phải đảm bảo hoạt động bình thường thiết bị khơng tích hợp nhau: hình ảnh quan sát rõ nhất, thiết bị đo xa đo cự ly lớn nhất, đồng thời, phải đảm bảo an toàn mắt người quan sát Kính ngắm pháo thủ SGS-55B xe tăng T54B, T55 Hungari cải tiến hệ quang điện tử tương tự, bao gồm kênh quan sát đêm (theo nguyên lý khuếch đại ánh sáng yếu), kênh quan sát ngày kênh đo xa laser Theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B, kênh quan sát ngày tích hợp với thiết bị đo xa laser thành cụm đồng nhất, độc lập bố trí khơng gian hạn chế Do đó, việc tính tốn thiết kế để tích hợp kênh với nhau, đáp ứng u cầu đặt tốn khó Đặc biệt, điều kiện Việt Nam nay, công nghệ gia công chi tiết quang học nhiều hạn chế Trong báo, tác giả đề xuất giải pháp thiết kế tích hợp kênh quan sát ngày với kênh đo xa laser kính pháo thủ theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B xe tăng T54B, T55 Hungari cải tiến, vừa đáp ứng yêu cầu đề ra, vừa phù hợp với yếu tố cơng nghệ, đảm bảo gia cơng chế tạo chi tiết Việt Nam GIẢI PHÁP THIẾT KẾ, TÍCH HỢP 2.1 Phân tích u cầu, lựa chọn giải pháp Thiết bị đo xa laser dùng tích hợp với kênh ngày theo thiết kế có hệ ăng ten thu gồm cụm thành phần gồm: hệ chuẩn trực galile hệ vật kính hội tụ (hình 1) Hệ vật kính hội tụ hội tụ chùm tia song song vào mặt phẳng tiêu diện đầu thu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 163 Vật lý Hình Sơ đồ hệ quang ăng ten thu thiết bị đo xa laser - Hệ galile ; - Hệ vật kính hội tụ ; - Phin lọc giao thoa Đường kính thơng quang hệ xác định theo công thức sau [4]: D pr Lm e Lm E pr m E per (1) đó, E per lượng đầu phát laser; Epr.m lượng nhỏ chùm tia laser mà đầu thu thu bước sóng độ rộng xung cho trước; τ1, τ2 tương ứng hệ số truyền qua hệ ăng ten phát thu Dpr đường kính thơng quang hệ ăng ten thu; Lm cự ly đo; α hệ số suy hao khí quyển; hệ số phản xạ mục tiêu; E s / E0 hệ số, xác định tỷ số phần lượng chiếu lên mục tiêu E s với toàn lượng chùm tia laser E0 tới mục tiêu (năng lượng qua mặt phẳng đặt vng góc với chùm tia laser vị trí đặt mục tiêu) Với thiết bị đo xa laser quân có cự ly đo lên đến 20 km, sử dụng đầu phát loại laser rắn YAG-Nd3+ với E per = 10 mJ; đầu thu photodiode loại ФПУ-21ВА (Nga) có Epr.m = 2,0.10-15J ; đại lượng τ1 = 0,8; τ2= 0,8 ; α = 2,46.10-4km-1; = 0,2 ; = [1], theo công thức (1) Dpr ≈ 54 mm Hệ quang kênh ngày thơng thường gồm hệ vật kính hệ thị kính, có sơ đồ hình Hình Sơ đồ hệ quang kênh quan sát ngày Vật kính; Hệ đảo ảnh; Thị kính; Kính lưới; Đồng tử vào; Điafram độ; Đồng tử 164 N T Cầm, …, N M Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trên sở nghiên cứu, phân tích hệ quang ăng ten thu thiết bị đo xa laser hệ quang kênh quan sát ngày, nhóm tác giả nhận thấy tích hợp hai hệ quang với cách sử dụng chung cụm vật kính hội tụ Bài toán đặt phải giải vấn đề sau: - Đảm bảo đường kính thơng quang tối thiểu Dpr cho kênh thu thiết bị đo xa laser để đảm bảo đo cự ly xa trường nhìn kênh quan sát ngày theo yêu cầu; - Tách chùm xạ laser vùng nhìn thấy sau cụm vật kính hội tụ; - Đảm bảo chỉnh độc lập kênh quan sát ngày kênh thu thiết bị đo xa laser Việc đảm bảo đường kính thơng quang cho kênh thu thiết bị đo xa laser trường nhìn kênh quan sát ngày thực cách tính tốn tối ưu để lựa chọn thơng số tốt nêu Để thực tách chùm xạ laser khỏi vùng nhìn thấy sau cụm vật kính thực giải pháp sau: - Sử dụng lăng kính tách chùm tia (hình 3a); - Sử dụng phin lọc giao thoa (hình 3b) a) b) Hình Các giải pháp tách chùm tia laser a-Sử dụng lăng kính; b-Sử dụng phẳng Sử dụng lăng kính chia có ưu điểm hình ảnh dễ chỉnh dễ gá lắp so với phẳng, nhiên, kích thước khối lượng lăng kính lớn so với phẳng nên làm tăng khối lượng thiết bị Công nghệ gia cơng, chế tạo khó so với phẳng với công nghệ nước ta khó thực Do vậy, nhóm đề tài đề xuất sử dụng phẳng để chia tách chùm tia laser, tia sáng có bước sóng vùng khả kiến phản xạ bước sóng laser 1570 nm qua phin lọc giao thoa Trên sở đó, sơ đồ tích hợp hệ quang kênh ngày kênh thu thiết bị đo xa laser có sơ đồ hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 165 Vật lý Hình Sơ đồ sở để tích hợp kênh quan sát ngày kênh thu đo xa laser Kênh quan sát ngày ; Phin lọc giao thoa; Hệ quang chuyển tiếp; Đầu thu Sơ đồ nguyên lý hệ quang xây dựng hình Các tham số theo đăng ký thuyết minh bảng Bảng Các thơng số kỹ thuật kênh ngày Độ phóng đại, lần 10 Trường nhìn, độ Đường kính đồng tử ra, mm Phạm vi điều chỉnh thị độ, điốp -4 đến +4 Cự li đặt mắt, mm 18 đến 23 Độ phân giải, giây góc, khơng lớn 10 2.2 Thiết kế hệ quang kênh quan sát ngày Trong khn khổ báo, chúng tơi trình bày kết sử dụng phần mềm thiết kế quang Zemax để thiết kế hệ quang kênh quan sát ngày mà khơng đề cập chi tiết đến q trình thiết kế Kết thiết kế đưa cấu hình hệ quang hình 166 N T Cầm, …, N M Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Sơ đồ hệ quang kênh quan sát ngày Chiều dài tổng thể hệ quang 227 mm (tính từ bề mặt thứ vật kính đến đồng tử toàn hệ) Các tham số kết cấu toàn hệ thể bảng Bảng Các tham số kết cấu hệ quang kênh quan sát ngày Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 167 Vật lý Hình Hàm MTF hệ quang kênh quan sát ngày Hình Cầu sai hệ quang kênh quan sát ngày Để đánh giá chất lượng tạo ảnh hệ quang thiết kế, chúng tơi sử dụng thấu kính lý tưởng có tiêu cự 25 mm (bằng tiêu cự mắt trạng thái không điều tiết) đặt vị trí đồng tử hệ quang Sau sử dụng phần mềm Zemax để mô loại quang sai gây hệ quang Kết sau: Hàm MTF toàn hệ quang: hàm MTF tồn hệ quang thể hình 6, đạt k = 0,4 tần số 20 cặp vạch/mm tồn trường nhìn Cầu sai nằm gọn giới hạn 1mm toàn chiều cao đồng tử Đồ thị spot thể hình 8, từ đồ thị ta thấy điểm ảnh khử tồn trường nhìn Hình Đồ thị spot hệ quang kênh quan sát ngày Hình Loạn thị méo gối Trên hình 12 loạn thị méo gối, giá trị loạn thị lớn trục tia đỏ (0,65 micromet) 0,9 mm tương ứng với 1,44 điốp, giá trị hoàn toàn nằm khả điều tiết mắt Còn giá trị méo gối lớn chưa vượt q 5% (5% tiêu chí bình thường méo gối hệ thống quan sát) 168 N T Cầm, …, N M Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình 10 Quang sai hình học Hình 11 Sai sóng hệ quang kênh quan sát ngày Hình 12 Méo gối hệ quang kênh quan sát ngày Hình 13 Sắc sai vị trí Trên hình 10 11 biểu diễn quang sai hình học sai sóng hệ quang thiết kế, giá trị quang sai đạt nhỏ, hoàn toàn đáp ứng chất lượng quan sát hệ quan sát ngày Sau tính toán, thiết kế hệ quang thu đảm bảo thơng số kỹ thuật kênh ngày nêu bảng 2.3 Thiết kế hệ quang ăng ten thu kênh đo xe laser 2.3.1 Xây dựng sơ đồ hệ quang Như nói trên, vật kính kênh quan sát ngày đóng vai trò thành phần hệ quang ăng ten thu kênh đo xa laser Bởi để đảng bảo hai chức xây dựng sơ đồ hệ quang hình Nguyên lý làm việc hệ quang ăng ten thu sau: Tín hiệu đo xa laser phản hồi từ mục tiêu sau qua vật kính kênh quan sát ngày xuyên qua phin lọc giao thoa (2), qua hệ quang chuyển tiếp (3) để hội tụ lên đầu thu (4) kênh đo xa lasser Phin lọc giao thoa (2) phẳng đặt xiên góc so với trục đứng góc 45o Bề mặt phẳng mạ màng giao thoa (22 lớp) đảm bảo cho qua bước sóng 1570 nm tín hiệu đo xa laser phản xạ toàn dải sóng vùng nhìn thấy từ mục tiêu 2.3.2 Thiết kế hệ quang ăng ten thu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 169 Vật lý Hệ quang đầu thu có chức thu tín hiệu phản hồi trở từ mục tiêu để hội tụ lên bề mặt thu photodiode (đường kính bề mặt thu photodiode 150 micromet) Để đảm bảo chức thiết kế hệ quang hình Hình 14 Sơ đồ hệ quang ăng ten thu kênh đo xa laser Các tham số theo đăng ký thuyết minh bảng Bảng Các thơng số kỹ thuật hệ quang ăng ten thu Kênh thu Đầu dò laser APD (diode quang dạng thác lũ) Khẩu độ vào 60 mm Vùng quan sát 0,7 ly giác Cự ly phân biệt 40 m Độ xác ±5m Hiển thị cự ly 200 – 9999 m, mục tiêu Cài đặt cự ly nhỏ 200 – 3000 m Chiều dài khai triển tồn hệ quang 447,8mm Các thơng số kết cấu bảng Bảng Các tham số kết cấu hệ quang kênh thu Đồ thị spot hệ quang ăng ten thu hàm tập trung lượng 170 N T Cầm, …, N M Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ hình 15 16 Nhìn vào hai đồ thị thấy hệ quang thu đảm bảo toàn lượng thu nằm gọn cửa quang vào photodiode Hình 15 Đồ thị spot ăng ten thu Hình 16 Hàm tập trung lượng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 171 Vật lý Hình 17 Sơ đồ tích hợp kênh quan sát ngày đo xa laser Trên sở kết thiết kế hệ quang thu được, nhóm tác giả tiến hành thiết kế hệ khí gá lắp tích hợp thiết bị đo xa laser với kênh quan sát ngày hình 17 GIA CÔNG CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM Sau gia cơng chế tạo, nhóm đề tài tiến hành lắp đặt, chỉnh thử nghiệm thiết bị đo xa tích hợp kênh quan sát ngày (hình 18) Hình 18 Sản phẩm tích hợp cụm kênh quan sát ngày đo xa laser KẾT LUẬN Bài báo phân tích yêu cầu, lựa chọn giải pháp tiến hành tính tốn thiết kế tích hợp kênh quan sát ngày thiết bị đo xa laser kính pháo thủ theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B xe tăng T54B, T55 Hungari cải tiến, vừa đáp ứng yêu cầu đề ra, vừa phù hợp với yếu tố cơng nghệ, đảm bảo gia công chế tạo chi tiết Việt Nam cấu tạo Trên sở kết tính tốn thiết kế, nhóm tiến hành gia cơng chế tạo, lắp đặt thử nghiệm sản phẩm Kết đáp ứng yêu cầu đặt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Vasconcenlos, P Barretto, U Nunes, “A Minimal Solution for the Extrinsic Calibration of a Camera and a Laser-Rangefinder”, IEEE Transactions on 172 N T Cầm, …, N M Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol 34, Issue 11 (2012), pp 2097 – 2107 [2] B Douillard, D Fox, F Ramos, “Laser and Vision Based Outdoor Object Mapping", Proc Robotics: Science and Systems Conf., 2008 [3] C Premebida, O Ludwig, U Nunes, "Lidar and Vision-Based Pedestrian Detection System", J Field Robotics, Vol 26 (2009), pp 696-711 [4] Балашов.И.Ф.“Энергетическая оценка импульсных лазерных дальномеров” Санкт-Петербург, 2000.-16c [5] Универсальная оптическая лаборатория, Казанский госудаственный университет им В И Ульянова – Ленина, раздел 4, Казань – 1996 [6] Парвулюсов Ю.Б и др “Проетирование ОЭП” – М.;ЛОГОС, 2000.-488 с [7] http://www.findpatent.ru/patent/244/2444701.html http://www.findpatent.ru/patent/244/2443976.html [8] “Tính tốn lượng xạ chùm tia laser trình thiết kế thiết bị đo xa laser”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc sanVLKT, 09 – 2013 ABSTRACT SOLUTION IN INTERGRATING DAY VISION SCOPE WITH LASER RANGEFINDER Research calculating the design to integrate day vision scope with laser rangefinders in photovoltaic systems on vision systems, target capture and fire control is difficult and complex It requires the quality of the image through the observation channel, the maximum collected radiation energy for the receiver and no affection on the eyes of the observer In this article, the author presents a solution for designing optical systems integrated with day vision channel and laser rangefinder in gunner’s scope on T54B and T55 tanks viewfinder according to the principle of scope SGS-55B improved by Hungarian Keywords: Receiving antenna, Laser rangefinder, Day vision scope, Integration day vision scope with laser rangefinder Nhận ngày 07 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 17 tháng 02 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2018 Địa chỉ: Viện KH&CN quân * Email: thangnm@jmst.info Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 173 ... Thắng, Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trên sở nghiên cứu, phân tích hệ quang ăng ten thu thiết bị đo xa laser hệ quang kênh quan sát ngày, nhóm... bị đo xa tích hợp kênh quan sát ngày (hình 18) Hình 18 Sản phẩm tích hợp cụm kênh quan sát ngày đo xa laser KẾT LUẬN Bài báo phân tích yêu cầu, lựa chọn giải pháp tiến hành tính tốn thiết kế tích. .. 17 Sơ đồ tích hợp kênh quan sát ngày đo xa laser Trên sở kết thiết kế hệ quang thu được, nhóm tác giả tiến hành thiết kế hệ khí gá lắp tích hợp thiết bị đo xa laser với kênh quan sát ngày hình