Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa Laser

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 163 GIẢI PHÁP TÍCH HỢP KÍNH NGẮM NGÀY VỚI ĐO XA LASER Nguyễn Thu Cầm, Nguyễn Văn Thương, Mai Nguyệt Công, Nguyễn Mạnh Thắng* Tóm tắt: Nghiên cứu tính toán thiết kế để tích hợp kính ngắm ngày với thiết bị đo xa laser trong các tổ hợp quang điện tử trên các hệ thống quan sát, bám bắt mục tiêu và điều khiển hỏa lực là một bài toán khó, phức tạp. Trong đó, vừa phải đảm bảo chất lượng của hình ảnh qua kênh quan sát, vừa đảm bảo năng lượng bức xạ thu được lớn nhất cho đầu thu và không được làm ảnh hưởng đến mắt người quan sát. Trong bài báo, tác giả 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. Từ khóa: Ăng ten thu, Đo xa laser, Kính ngắm ngày, Tích hợp kính ngắm ngày và đo xa laser. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong các hệ thống quang điện tử phức tạp có các kênh quan sát ngày, đêm và thiết bị đo xa laser, khi đòi hỏi phải được tối ưu về kích thước và trọng lượng, một trong những giải pháp thường được sử dụng đó là tích hợp kênh quan sát ngày với thiết bị đo xa laser [1-3]. Thông thường, kênh quan sát ngày bao gồm một hệ kính vật và một hệ thị kính; thiết bị đo xa laser bao gồm hệ quang kênh phát và hệ quang kênh thu. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc tích hợp hai thiết bị này phải đảm bảo hoạt động bình thường của các thiết bị như khi không được tích hợp cùng nhau: hình ảnh quan sát được rõ nhất, thiết bị đo xa đo được cự ly lớn nhất, đồng thời, phải đảm bảo an toàn đối với mắt người quan sát. Kính ngắm pháo thủ SGS-55B trên xe tăng T54B, T55 do Hungari cải tiến là một trong các hệ quang điện tử tương tự, trong đó bao gồm một kênh quan sát đêm (theo nguyên lý khuếch đại ánh sáng yếu), một kênh quan sát ngày và kênh đo xa laser. Theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B, kênh quan sát ngày được tích hợp với thiết bị đo xa laser thành một cụm đồng nhất, độc lập và được bố trí trong một không gian rất hạn chế. Do đó, việc tính toán thiết kế để tích hợp các kênh với nhau, đáp ứng được yêu cầu đặt ra là một bài toán khó. Đặc biệt, trong điều kiện ở Việt Nam hiện nay, khi công nghệ gia công các chi tiết quang học cũng nhiều hạn chế. Trong bài báo, tác giả đề xuất một giải pháp thiết kế tích hợp kênh quan sát ngày với kênh đo xa laser trong kính pháo thủ theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B trên xe tăng T54B, T55 do Hungari cải tiến, vừa đáp ứng được các yêu cầu đề ra, vừa phù hợp với các yếu tố công nghệ, đảm bảo có thể gia công chế tạo các chi tiết tại Việt Nam. 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ, TÍCH HỢP 2.1 Phân tích yêu cầu, lựa chọn giải pháp Thiết bị đo xa laser được dùng tích hợp với kênh ngày theo thiết kế có hệ ăng ten thu gồm 2 cụm thành phần gồm: hệ chuẩn trực galile 1 và hệ vật kính hội tụ 2 (hình 1). Hệ vật kính hội tụ sẽ hội tụ chùm tia song song vào mặt phẳng tiêu diện của đầu thu. Vật lý N. T. Cầm, , N. M. Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” 164 Hình 1. Sơ đồ hệ quang ăng ten thu của thiết bị đo xa laser. 1 - Hệ galile ; 2 - Hệ vật kính hội tụ ; 3 - Phin lọc giao thoa. Đường kính thông quang của hệ được xác định theo công thức sau [4]: . 1 2 2 m pr mLpr m per E D L e E            (1) trong đó, perE là năng lượng đầu phát laser; Epr.m là năng lượng nhỏ nhất của chùm tia laser mà đầu thu có thể thu được đối với mỗi bước sóng và độ rộng xung cho trước; τ1, τ2 tương ứng là hệ số truyền qua của hệ ăng ten phát và thu. Dpr là đường kính thông quang của hệ ăng ten thu; Lm là cự ly đo; α là hệ số suy hao trong khí quyển;  là hệ số phản xạ của mục tiêu; 0/sE E  là hệ số, được xác định bằng tỷ số giữa phần năng lượng chiếu lên mục tiêu sE với toàn bộ năng lượng của chùm tia laser 0E tới mục tiêu (năng lượng đi qua mặt phẳng đặt vuông góc với chùm tia laser tại vị trí đặt mục tiêu). Với một thiết bị đo xa laser quân sự có cự ly đo lên đến 20 km, sử dụng đầu phát là loại laser rắn YAG-Nd3+ với perE = 10 mJ; đầu thu photodiode là loại ФПУ-21ВА (Nga) có Epr.m = 2,0.10 -15J ; các đại lượng τ1 = 0,8; τ2= 0,8 ; α = 2,46.10-4km-1;  = 0,2 ; = 1 [1], theo công thức (1) prD ≈ 54 mm. Hệ quang kênh ngày thông thường gồm một hệ vật kính và một hệ thị kính, có sơ đồ như trên hình 2 dưới đây. Hình 2. Sơ đồ hệ quang kênh quan sát ngày. 1. Vật kính; 2. Hệ đảo ảnh; 3. Thị kính; 4. Kính lưới; 5. Đồng tử vào; 6. Điafram khẩu độ; 7. Đồng tử ra. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 165 Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích hệ quang ăng ten thu của thiết bị đo xa laser và hệ quang của kênh quan sát ngày, nhóm tác giả nhận thấy có thể tích hợp hai hệ quang với nhau bằng cách sử dụng chung cụm vật kính hội tụ. Bài toán đặt ra phải giải quyết những vấn đề sau: - Đảm bảo đường kính thông quang tối thiểu prD cho kênh thu của thiết bị đo xa laser để đảm bảo đo được cự ly xa nhất và trường nhìn của kênh quan sát ngày theo yêu cầu; - Tách được chùm bức xạ laser và vùng nhìn thấy sau cụm vật kính hội tụ; - Đảm bảo có thể căn chỉnh độc lập được kênh quan sát ngày và kênh thu của thiết bị đo xa laser. Việc đảm bảo đường kính thông quang cho kênh thu của thiết bị đo xa laser và trường nhìn của kênh quan sát ngày được thực hiện bằng cách tính toán và tối ưu để lựa chọn thông số tốt nhất như nêu ở trên. Để thực hiện tách chùm bức xạ laser khỏi vùng nhìn thấy sau cụm vật kính có thể được thực hiện bằng các giải pháp sau: - Sử dụng lăng kính tách chùm tia (hình 3a); - Sử dụng tấm phin lọc giao thoa (hình 3b). a) b) Hình 3. Các giải pháp tách chùm tia laser. a-Sử dụng lăng kính; b-Sử dụng tấm phẳng. Sử dụng lăng kính chia có ưu điểm là hình ảnh dễ căn chỉnh và dễ gá lắp hơn so với tấm phẳng, tuy nhiên, kích thước và khối lượng của lăng kính lớn hơn so với tấm phẳng nên sẽ làm tăng khối lượng của thiết bị. Công nghệ gia công, chế tạo cũng khó hơn so với tấm phẳng và với công nghệ ở nước ta hiện nay rất khó thực hiện. Do vậy, nhóm đề tài đề xuất sử dụng tấm phẳng để chia tách chùm tia laser, tia sáng có bước sóng trong vùng khả kiến sẽ phản xạ và bước sóng laser 1570 nm sẽ đi qua tấm phin lọc giao thoa. Trên cơ sở đó, sơ đồ tích hợp hệ quang kênh ngày và kênh thu của thiết bị đo xa laser có sơ đồ như hình 4. Vật lý N. T. Cầm, , N. M. Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” 166 1 2 3 4 Hình 4. Sơ đồ cơ sở để tích hợp kênh quan sát ngày và kênh thu của đo xa laser. 1. Kênh quan sát ngày ; 2. Phin lọc giao thoa; 3. Hệ quang chuyển tiếp; 4. Đầu thu. Sơ đồ nguyên lý hệ quang được xây dựng như trên hình 4. Các tham số theo đăng ký trong thuyết minh như trên bảng 1. Bảng 1. Các thông số kỹ thuật chính của kênh ngày. 1 Độ phóng đại, lần 10 2 Trường nhìn, độ 6 3 Đường kính đồng tử ra, mm 6 4 Phạm vi điều chỉnh thị độ, điốp -4 đến +4 5 Cự li đặt mắt, mm 18 đến 23 6 Độ phân giải, giây góc, không lớn hơn 10 2.2. Thiết kế hệ quang kênh quan sát ngày Trong khuôn khổ của bài báo, chúng tôi chỉ trình bày kết quả sử dụng phần mềm thiết kế quang Zemax để thiết kế hệ quang kênh quan sát ngày mà không đề cập chi tiết đến quá trình thiết kế. Kết quả thiết kế đưa ra cấu hình hệ quang như hình 5. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 167 Hình 5. Sơ đồ hệ quang kênh quan sát ngày. Chiều dài tổng thể hệ quang bằng 227 mm (tính từ bề mặt thứ nhất của vật kính đến đồng tử ra của toàn hệ). Các tham số kết cấu của toàn hệ được thể hiện như trên bảng 2. Bảng 2. Các tham số kết cấu của hệ quang kênh quan sát ngày. Vật lý N. T. Cầm, , N. M. Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” 168 Để đánh giá chất lượng tạo ảnh của hệ quang được thiết kế, chúng tôi sử dụng một thấu kính lý tưởng có tiêu cự 25 mm (bằng tiêu cự của mắt ở trạng thái không điều tiết) đặt tại vị trí đồng tử ra của hệ quang. Sau đó sử dụng phần mềm Zemax để mô phỏng các loại quang sai gây ra bởi hệ quang. Kết quả như sau: Hàm MTF của toàn hệ quang: hàm MTF của toàn hệ quang được thể hiện như trên hình 6, đạt k = 0,4 tại tần số 20 cặp vạch/mm trên toàn bộ trường nhìn. Cầu sai nằm gọn trong giới hạn 1mm trên toàn bộ chiều cao đồng tử ra. Đồ thị spot được thể hiện như trên hình 8, từ đồ thị ta thấy các điểm ảnh được khử khá đều trên toàn bộ trường nhìn. Hình 8. Đồ thị spot của hệ quang Hình 9. Loạn thị và méo gối. kênh quan sát ngày. Trên hình 9 và 12 là loạn thị và méo gối, giá trị loạn thị lớn nhất trên trục đối với tia đỏ (0,65 micromet) là 0,9 mm tương ứng với 1,44 điốp, giá trị này hoàn toàn nằm trong khả năng điều tiết của mắt. Còn giá trị méo gối lớn nhất chưa vượt quá 5% (5% là tiêu chí bình thường về méo gối của các hệ thống quan sát). Hình 7. Cầu sai của hệ quang kênh quan sát ngày. Hình 6. Hàm MTF của hệ quang kênh quan sát ngày. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 169 Trên hình 10 và 11 biểu diễn quang sai hình học và sai sóng của hệ quang được thiết kế, các giá trị quang sai đạt được nhỏ, hoàn toàn đáp ứng chất lượng quan sát của hệ quan sát ngày. Sau khi tính toán, thiết kế hệ quang thu được đảm bảo các thông số kỹ thuật chính của kênh ngày đã nêu trong bảng 1. 2.3. Thiết kế hệ quang ăng ten thu kênh đo xe laser 2.3.1. Xây dựng sơ đồ hệ quang Như đã nói ở trên, vật kính kênh quan sát ngày đóng vai trò là một thành phần trong hệ quang ăng ten thu của kênh đo xa laser. Bởi vậy để đảng bảo cả hai chức năng này chúng tôi xây dựng sơ đồ hệ quang như trên hình 4. Nguyên lý làm việc của hệ quang ăng ten thu như sau: Tín hiệu đo xa laser phản hồi từ mục tiêu sau khi qua vật kính của kênh quan sát ngày đi xuyên qua phin lọc giao thoa (2), qua hệ quang chuyển tiếp (3) để hội tụ lên đầu thu (4) của kênh đo xa lasser. Phin lọc giao thoa (2) là một tấm phẳng đặt xiên góc so với trục đứng một góc 45o. Bề mặt tấm phẳng mạ màng giao thoa (22 lớp) đảm bảo cho qua bước sóng 1570 nm của tín hiệu đo xa laser và phản xạ toàn bộ dải sóng vùng nhìn thấy đi về từ mục tiêu. 2.3.2. Thiết kế hệ quang ăng ten thu Hình 11. Sai sóng hệ quang kênh quan sát ngày. Hình 10. Quang sai hình học. Hình 12. Méo gối hệ quang kênh quan sát ngày. Hình 13. Sắc sai vị trí. Vật lý N. T. Cầm, , N. M. Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” 170 Hệ quang đầu thu có chức năng thu các tín hiệu phản hồi trở về từ mục tiêu để hội tụ lên bề mặt thu của photodiode (đường kính bề mặt thu của photodiode là 150 micromet). Để đảm bảo chức năng này chúng tôi thiết kế hệ quang như trên hình 7 Hình 14. Sơ đồ hệ quang ăng ten thu kênh đo xa laser. Các tham số theo đăng ký trong thuyết minh như trên bảng 3. Bảng 3. Các thông số kỹ thuật chính của 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 chính xác ± 5 m Hiển thị cự ly 200 – 9999 m, 1 mục tiêu Cài đặt cự ly nhỏ nhất 200 – 3000 m Chiều dài khai triển toàn hệ quang là 447,8mm. Các thông số kết cấu của nó như trên bảng 4. Bảng 4. Các tham số kết cấu của hệ quang kênh thu. Đồ thị spot của hệ quang ăng ten thu và hàm tập trung năng lượng như trên Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 171 hình 15 và 16. Nhìn vào hai đồ thị này chúng ta thấy rằng hệ quang thu đảm bảo toàn bộ năng lượng thu được nằm gọn trong cửa quang vào của photodiode. Hình 15. Đồ thị spot ăng ten thu. Hình 16. Hàm tập trung năng lượng. Vật lý N. T. Cầm, , N. M. Thắng, “Giải pháp tích hợp kính ngắm ngày với đo xa laser.” 172 Hình 17. Sơ đồ tích hợp kênh quan sát ngày và đo xa laser. Trên cơ sở kết quả thiết kế hệ quang thu được, nhóm tác giả đã tiến hành thiết kế hệ cơ khí gá lắp và tích hợp thiết bị đo xa laser với kênh quan sát ngày như hình 17. 3. GIA CÔNG CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM Sau khi gia công chế tạo, nhóm đề tài đã tiến hành lắp đặt, căn chỉnh và thử nghiệm thiết bị đo xa tích hợp cùng kênh quan sát ngày (hình 18). Hình 18. Sản phẩm tích hợp cụm kênh quan sát ngày và đo xa laser. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã phân tích yêu cầu, lựa chọn giải pháp và tiến hành tính toán thiết kế tích hợp kênh quan sát ngày và thiết bị đo xa laser trong kính pháo thủ theo nguyên lý kính ngắm SGS-55B trên xe tăng T54B, T55 do Hungari cải tiến, vừa đáp ứng được các yêu cầu đề ra, vừa phù hợp với các yếu tố công nghệ, đảm bảo có thể gia công chế tạo các chi tiết tại Việt Nam cấu tạo. Trên cơ sở kết quả tính toán thiết kế, nhóm đã tiến hành gia công chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm sản phẩm. Kết quả đáp ứng được yêu cầu đặt ra. 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 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54 , 04 – 2018 173 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]. [8]. “Tính toán năng lượng bức xạ của chùm tia laser trong quá 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 bài ngày 07 tháng 5 năm 2017 Hoàn thiện ngày 17 tháng 02 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 4 năm 2018 Địa chỉ: Viện KH&CN quân sự. *Email: thangnm@jmst.info.