Оптико-электронные следящие и прицельные системы

Оптико-электронные следящие и прицельные системы

А.Г. Барский

Оптико-электронные 
следящие и прицельные 
системы

Издание второе, переработанное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
по образованию в области приборостроения и оптотехники 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению «Оптотехника» 
и специальности «Оптико-электронные приборы и системы»

Москва ● ЛОГОС ● 2020

УДК 535
ББК 32.965.8
 
Б26

Серия основана в 2003 г.

Рецензенты
В.Л. Левшин, доктор технических наук, профессор
Ю.М. Климков, доктор технических наук, профессор, 
заслуженный работник высшей школы

Б26 

Барский А.Г.

 
Оптико-электронные следящие и прицельные системы: учеб. пособие / А.Г. Барский. – М.: Логос, 2020. –  248 с. (Новая университетская библиотека).

ISBN 978-5-98704-717-0

Изложены теория, методы расчета и проектирования оптико-электронных следящих линейных и нелинейных систем, широко используемых при решении различных задач в области управления, прежде всего 
в военной технике. Даны методы их анализа и синтеза, учитывающие 
специфику систем пространственного слежения с модуляцией. Особое 
внимание уделено получению инженерных зависимостей для параметров звеньев систем с точки зрения обеспечения оптимальности их 
характеристик. Оптико-электронные прицельные системы освещаются на примере базовой конфигурации, разработанной для истребителя 
СУ-27. Рассмотрены основные задачи и характеристики этих систем, 
элементная база, принципы проектирования и работы в различных 
режимах.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Оптотехника» и специальности «Оптико-электронные приборы и системы». Может быть полезна специалистам, занимающимся 
разработкой оптико-электронных следящих и прицельных систем.

УДК 535
ББК 32.965.8

ISBN 978-5-98704-717-0 
 © Барский А.Г., 2020
 ©   Логос, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..................................................................................................9

Часть I. Линейные оптико- электронные следящие системы ..........15

Глава 1. Задача управления объектом при наведении на цель ...........17

1.1. Системы управления с самонаведением. Методы наведения 
объекта на цель ...................................................................................17

1.2. Структурная схема системы самонаведения ......................................22

Глава 2. Оптико- электронная следящая система как система 
слежения за целью ..................................................................................25

2.1. Структурная схема ОЭСС. Назначение и характеристики 
звеньев системы ..................................................................................25

2.2. Динамические параметры ОЭСС. Определение требований 
к коэффициенту усиления системы ...................................................35

2.3. Влияние возмущений на динамические параметры ОЭСС ..............38

Глава 3. Гироскопические устройства, используемые 
в оптико- электронных следящих системах .......................................42

3.1. Гироскопы. Основные понятия и определения .................................42

3.2. Закон прецессии .................................................................................48

3.3. Гироскопический момент ...................................................................53

3.4. Гиростабилизаторы. Основные понятия и определения ...................56

3.5. Устройство, принцип действия, уравнения движения 
и передаточные функции двухосного гиростабилизатора 
с силовой разгрузкой ..........................................................................62

Оглавление
6

Глава 4. Синтез корректирующих устройств, обеспечивающих 
устойчивость системы. ОЭСС – измеритель угловой 
скорости линии визирования ...............................................................71

4.1. Аналитический метод синтеза корректирующих устройств. 
Расчет корректирующего устройства ОЭСС .....................................71

4.2. Графический метод синтеза корректирующих устройств .................80

4.3. ОЭСС как измеритель угловой скорости линии визирования 
цели .....................................................................................................84

Глава 5. Оптико- электронные двухканальные системы 
пространственного углового сопровождения движущихся 
объектов ....................................................................................................89

5.1. Двухканальные системы с идентичными каналами 
и антисимметричными перекрестными связями ..............................89

5.2. Двухканальные системы с модуляцией и широкополосным 
электронным трактом. Устойчивость ОЭСС и управление 
оптической осью в пространстве .......................................................95

5.3. Двухканальные системы с модуляцией и узкополосным 
электронным трактом. Устойчивость систем ..................................107

Часть II. Нелинейные оптико- электронные следящие системы ....119

Глава 6. Приближенный метод исследования нелинейных 
систем ......................................................................................................121

6.1. Метод гармонического баланса ........................................................121

6.2. Гармонические коэффициенты усиления типовых 
нелинейностей. Примеры определения автоколебаний 
в нелинейных системах ....................................................................130

6.3. Нелинейная система при наличии управляющего воздействия .....138

6.4. Устойчивость периодического решения ..........................................141

Глава 7. Нелинейные оптико- электронные двухканальные 
системы углового сопровождения движущихся объектов ...........146

7.1. Двухканальные следящие системы с двумерными 
нелинейностями общего вида ..........................................................146

7.2. Оптико- электронные следящие системы с нелинейным 
модулятором .....................................................................................151

7.3. Оптико- электронные следящие системы с нелинейностями 
в каналах двухканальной части контура ..........................................156

Оглавление
7

7.4. Синтез корректирующих устройств в нелинейных 
двухканальных системах по заданным требованиям 
к параметрам периодического режима ............................................163

7.5. Моделирование оптико- электронных систем .................................168

Часть III. Оптико- электронные прицельные системы ...................175

Глава 8. Описание оптико- электронной прицельной системы ......177

8.1. Назначение и основные требования к системе, состав и ее 
структурная схема .............................................................................177

8.2. Органы управления оптико- электронной прицельной системы. 
Работа летчика ..................................................................................180

Глава 9. Оптико- локационная станция ................................................187

9.1. Назначение и технические характеристики станции ......................187

9.2. Структурная схема станции, назначение ее звеньев и узлов ...........188

9.3. Функциональная схема станции. Характеристики звеньев 
и узлов ...............................................................................................191

9.4. Модулятор следящего теплопеленгатора .........................................195

9.5. Лазерный дальномер .........................................................................198

9.6. Режимы работы станции...................................................................201

Глава 10. Нашлемная система целеуказания .......................................211

10.1. Назначение, структурная схема и размещение НСЦ 
на самолете. .......................................................................................211

10.2. Функциональная схема системы. Назначение, принцип 
действия и устройство ее блоков ......................................................214

10.3. Определение азимутальных угловых координат излучающих 
диодов в системе координат оптико- локационных блоков ............220

10.4. Порядок работы летчика с нашлемной системой целеуказания 
перед полетом. Встроенный контроль .............................................223

Глава 11. Режимы работы оптико- электронной прицельной 
системы в дальнем ракетном бою .....................................................225

11.1. Режим обзора воздушного пространства и обнаружения цели .....225

11.2. Режим автоматического захвата и сопровождения цели 
из режима обзора ..............................................................................227

11.3. Режим ручного захвата и сопровождения цели из режима 
обзора ................................................................................................231

Оглавление
8

Глава 12. Режимы работы оптико- электронной прицельной 
системы в ближнем воздушном бою при визуально- 
наблюдаемой цели и по наземным целям .......................................235

12.1. Режим захвата цели при выдаче целеуказания 
с использованием нашлемной системы целеуказания – режим 
«Шлем» ..............................................................................................235

12.2. Режим захвата цели при выдаче целеуказания 
с использованием ручного стробирования цели – режим 
«Оптика» ...........................................................................................237

12.3. Режим захвата цели с использованием оптико- локационной 
станции – режим «Вертикаль» .........................................................239

12.4. Режим работы оптико- электронной прицельной системы 
по наземным целям – режим «Земля» .............................................241

Список литературы ..................................................................................243

ПРЕДИСЛОВИЕ

Среди оптико- электронных приборов и систем можно выделить 
довольно большой класс оптико- электронных следящих систем 
(ОЭСС), широко используемых при решении различных задач в области управления, и прежде всего в военной технике (следящие теплопеленгаторы, тепловые головки самонаведения ракет различных 
классов и др.).
Оптико- электронные системы автоматического сопровождения 
движущихся целей позволяют получать непрерывную информацию 
об угловых координатах цели, а также определять угловую скорость 
линии визирования. Эти системы наиболее сложные, так как объединяют системы обнаружения координат со следящим приводом, 
образуя замкнутую систему автоматического управления.
Этот класс оптико- электронных систем обладает определенной 
спецификой, выделяющей их среди систем автоматического регулирования. Прежде всего ОЭСС – это системы пространственного 
слежения, которые в отличие от обычных (одномерных) следящих 
систем имеют два канала слежения за целью – в горизонтальной 
и вертикальной плоскостях, т.е. являются двухканальными (двумерными) системами.
Как правило, в ОЭСС модулируется принимаемый сигнал, что 
структурно приводит к сочетанию одноканального участка переменного тока с двухканальной частью. При определенных условиях данные системы могут содержать нелинейные элементы, что еще более 
усложняет задачу проектирования и исследования.
К числу особенностей оптико- электронных автоматических систем следует также отнести то, что они устанавливаются, как правило, 
на подвижном основании (на корабле, самолете, ракете). Это приводит к необходимости стабилизации оптической оси системы, т.е. 
к «развязке» оптической оси от колебаний основания. Эту задачу, 
совместно с задачей обеспечения пространственного углового перемещения оптической оси, с успехом выполняют гироскопические 
устройства, используемые в ОЭСС в качестве привода.
Указанная специфика приводит к возникновению ряда новых, 
в сравнении с одномерными системами, явлений и эффектов и обуславливает необходимость разработки и применения специальных 

Предисловие
10

методов расчета и исследования оптико- электронных автоматических систем.
В свою очередь среди оптико- электронных следящих систем можно выделить существенный класс прицельных систем, используемых 
в военной технике, в том числе и в авиации.
В настоящее время оптико- электронные прицельные системы 
(ОЭПС) представляют особый интерес, о чем свидетельствует широкий фронт зарубежных и российских разработок, ведущихся в области ОЭПС различных типов и различного применения. Так, по данным 
журнала «Авиационные системы» (2006 г., № 6 и 27; 2007 г., №4 и 16), 
можно отметить зарубежные разработки: контейнерной ИК- системы переднего обзора для истребителя F / A-18E / F (США); внутренней ИК- системы переднего обзора и целеуказания для истребителя 
F-16 CD (США); нашлемного прицела для истребителя «Рафаэль», 
который может быть скомплексирован с вертолетами, а также найти 
применение в противовоздушной обороне (Израиль); модернизированной оптико- электронной системы целеуказания для армейского вертолета «Апач» (США); новой оптико- электронной системы 
поиска и сопровождения воздушных целей для переоборудования 
вертолета «Команч» (США), а также работы по комплексированию 
бортового радиоэлектронного оборудования с оптико- электронной 
системой с распределенной апертурой самолета F-35 (США), который должен заменить самолеты F-14, F-16, А-10 и др.
Среди отечественных разработок оптико- электронных прицельных систем следует отметить такие разработки, как:
оптико •

 электронную прицельную систему ОЭПС-29, применяемую на истребителях МИГ-29;
оптико •

 электронную прицельную систему ОЭПС-27, применяемую на истребителях СУ-27 и его модификациях;
оптико •

 электронные системы контейнерного типа, предназначенные для установки на самолеты СУ-27, СУ-30 и СУ-34;
нашлемные системы целеуказания («Щель», «Яуза» и др.), ко •
торые могут использоваться на вновь создаваемых или модернизируемых самолетах, вертолетах и в наземных комплексах, требующих поворота исполнительных механизмов в направлении линии 
наблюдения.
Несмотря на большой интерес к оптико- электронным прицельным системам, книг, посвященных ОЭПС, по нашей информации, 
нет. Имеющаяся краткая информация о существующих и разрабатываемых ОЭПС ограничивается самыми общими положениями и не 
дает представления о принципах проектирования, режимах работы, 
характеристиках и элементной базе систем. Автор поставил перед 
собой задачу хотя бы частично устранить этот пробел.

Предисловие
11

В основу данного издания положены материалы разработки оптико- электронной системы, проводимой в Научно- производственном 
объединении «Геофизика» под руководством выдающегося главного 
конструктора Д.М. Хорола в 1980-х годах для истребителя СУ-27.
Этот истребитель разрабатывался в конструкторском бюро 
им. П.В. Сухого под руководством главного конструктора А.И. Кнышева как самолет, способный обеспечить превосходство над американским самолетом F-15. В отличие от F-15, который был оснащен 
только радиолокационным прицельным комплексом, при создании 
многоцелевого тактического истребителя СУ-27 была впервые поставлена и решена задача по комплексированию бортовых радиолокационного и оптико- электронного прицельных комплексов.
На этом же предприятии под руководством генерального директора А.А. Фомина и главного технолога В.А. Солдатенкова была выпущена первая партия образцов ОЭПС.
К достоинствам ОЭПС следует, прежде всего, отнести скрытность 
действий в силу пассивного метода поиска, обнаружения и автосопровождения цели, что повышает выживаемость самолета, а также 
более высокую точность выдаваемой информации в сравнении с радиолокационной прицельной системой, что повышает эффективность применения вооружения, особенно пушечного вооружения. 
Кроме того, дублирование прицельных систем увеличивает надежность применения вооружения.
В результате комплексирования оптико- электронной прицельной 
системы и радиолокационного прицельного комплекса существенно возросла эффективность боевого применения самолета.
Созданная ОЭПС является базовой системой для бортовых оптико- 
электронных комплексов. По данным энциклопедического справочника «Авионика России» аналогов такой системы в то время не было.
Цель настоящей книги состоит в систематическом изложении теории, методов расчета и проектирования ОЭСС с учетом специфики 
систем пространственного слежения. В части оптико-электронных 
прицельных систем цель данного издания заключается в том, чтобы 
на примере конкретной ОЭПС познакомить читателя с основными 
задачами и характеристиками этих систем, с принципами их проектирования, элементами, а также с работой ОЭПС в различных режимах их применения.
Изучение предлагаемого материала позволяет, отталкиваясь от 
достигнутого, наметить пути дальнейшего развития и совершенствования оптико- электронных прицельных систем и их элементов. 
В этом смысле изложенный материал можно рассматривать и как 
необходимую базу для разработки новых оптико- электронных систем, в том числе для самолетов следующего поколения.

Предисловие
12

Хорол Давид Моисеевич

Фомин Алексей Александрович

Кнышев Алексей Иванович

Солдатенков Виктор Акиндинович

Предисловие
13

Учебное пособие состоит из трех частей (12 глав).
Часть I, содержащая главы 1–5, посвящена линейным оптико- 
электронным линейным системам.
В главе 1 описываются системы управления объектом при наведении на цели и методы наведения. Структурная схема системы самонаведения представлена в виде замкнутой системы автоматического 
регулирования, одним из звеньев которой является ОЭСС, определяющая угловую скорость линии визирования цели. Проектирование 
и исследование динамики ОЭСС является необходимым этапом 
проектирования контура самонаведения объекта.
В главе 2 рассматривается ОЭСС как система слежения за целью. 
Основное внимание уделено характеристикам, имеющим существенное значение для динамики системы. Представлена инженерная 
методика расчета основных динамических параметров ОЭСС, в том 
числе при учете возмущений, позволяющая проводить их расчет на 
первом этапе проектирования.
Глава 3 посвящена гироскопическим устройствам, используемым 
в ОЭСС. Здесь изложены физические основы работы гироскопов, 
описаны устройство и принципы действия гироскопических стабилизаторов различных типов. Дана инженерная методика расчета 
основных параметров силового гиростабилизатора, выполняющего 
в ОЭСС одновременно две функции – стабилизацию оптической 
оси и управление положением оптической оси в пространстве.
В главе 4 изложены методы синтеза корректирующих устройств – 
аналитический и графический, обеспечивающих устойчивость 
ОЭСС при требуемом коэффициенте усиления, а также методика 
расчета скорректированной ОЭСС как системы измерения угловой 
скорости линии визирования, в том числе с учетом требования контура самонаведения.
Глава 5 посвящена оптико- электронным двухканальным системам пространственного углового сопровождения движущихся объектов. Рассмотрен метод комплексных координат и комплексных 
передаточных функций, весьма эффективный при исследовании 
двумерных систем, описана методика преобразования ОЭСС с модуляцией, содержащей одноканальную часть на переменном токе 
и двухканальный привод, в двухканальную систему с перекрестными связями между каналами. Выявлены основные причины возникновения перекрестных связей между каналами системы – сдвиг 
фазы опорного напряжения при демодуляции и несовпадение частоты модуляции с резонансной частотой усилительного тракта, что 
приводит к ошибкам управления оптической осью системы, вплоть