Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона 14
1.1. Антенные системы миллиметрового диапазона 14
1.2. Регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения миллиметрового диапазона 37
1.3. Системы наведения и автосопровождения 53
1.4. Информационно-измерительные системы радиотелескопов миллиметрового диапазона 71
Глава 2. Методы и средства измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы 83
2.1. Анализ измеряемых параметров и методов измерений .83
2.2. Структура измерительной системы 115
2.3. Измерение азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат 122
2.4. Измерения углового положения базовых элементов конструкции относительно гиростабилизированной платформы 129
2.5. Измерения положения основного зеркала относительно базовой системы координат 135
2.6. Измерение положения контррефлектора относительно базовой системы координат 143
2.7. Измерение положения зеркала перископического относительно базовой системы координат 147
Глава 3. Оптико-электронные измерительные каналы системы мониторинга окружающей среды 158
3.1. Измерительные задачи системы мониторинга 158
3.2. Обобщенный оптико-электронный канал 161
3.3.Типы и структуры каналов 173
3.4. Обобщенное уравнение преобразования входной величины 185
3.5. Показатели качества ИКИК 197
3.6. Анализ погрешностей 202
Глава 4. Методика проектирования интерференционно-кодовых измерительных каналов 242
4.1. Выбор структуры оптического канала 242
4.2. Выбор типа модулятора 244
4.3. Расчет параметров модуляторов 250
4.4. Выбор источника и приемника света 260
4.5 Выбор типа оптического усилителя и расчет его геометрических параметров 269
4.6. Выбор типа оптического кодирующего устройства и расчет его геометрических параметров 281
4.7. Определение геометрических параметров блока фотоприемников 290
4.8. Выбор структуры и составных элементов электронной части ИКИК 296
Заключение 306
Список литературы 310
Приложение
- Регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения миллиметрового диапазона
- Измерение азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат
- Обобщенное уравнение преобразования входной величины
- Выбор типа оптического усилителя и расчет его геометрических параметров
Введение к работе
В последнее время интенсивность исследований и разработок, направленных на создание различных радиотехнических устройств диапазона 30 - 300 ГГц, постоянно возрастает, а области их применения расширяются. Использование этого диапазона, занимающего промежуток между достаточно хорошо освоенными сантиметровым и оптическими диапазонами, в радиосистемах и радиоастрономии позволяет в ряде случаев найти компромиссное решение, в большей степени отвечающее требованиям конкретных задач. Расширение области применения диапазона миллиметровых длин волн (ММДВ) обусловлено тремя факторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения в атмосфере, малой длиной волны.
Протяженность спектра миллиметровых волн составляет 270 ГГц. Однако часть этой полосы непригодна для использований устройствами, работающими в атмосфере Земли, ввиду наличия полос интенсивного поглощения радиоволн за счет молекулярных резонансов в кислороде и парах воды. Однако в "окнах прозрачности" атмосферы, расположенных между линиями; поглощения, погонное затухание является, умеренным. Минимумы поглощения наблюдаются на частотах 35, 94, 140 и 220 ГГц {длины волы 8, 6, 3,2 , 2,2 и 1,4 мм соответственно), При этом ширина соответствующих "окон прозрачности" оценивается как 16,23,26 и 70 ГГц.
Использование ММДВ в различных радиосистемах обеспечивает практическое отсутствие ограничений на полосу частот и дает им следующие преимущества:
1) возможность одновременной работы большого числа радиосистем без взаимных помех;
2) возможность перестройки РЛС в широком диапазоне частот в целях борьбы с помехами, отстройки от интерференционных минимумов в условиях многолучевого распространения (например, при сопровождении низколетящих КА), электронного сканирования лучом антенны;
3) возможность использования широкополосных сигналов для передачи больших потоков информации с высокой скоростью, борьбы с замираниями за счет интерференции;
4} высокое разрешение по дальности при использовании коротко-импульсных или широкополосных зондирующих сигналов, обеспечивающее раздельное обнаружение близких целей и точное измерение их координат, получение дальностных радиопортретов целей для их идентификации;
5) высокую защищенность от активных помех;
6) возможность использовать широкие полосы для повышения чувствительности радиометров пассивных радиосистем.
Одним из наиболее важных направлений использования ММДВ являются радиоастрономические исследования с помощью радиотелескопов, направленные на решения крупных научных проблем:
- определения фундаментальных закономерностей пространства времени;
- построения модели расширяющейся Вселенной;
- изучение структуры и динамики астрономических объектов, в том числе в космических источниках со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями, объектах-ускорителях элементарных частиц до сверхвысокой энергии;
- изучение проблем образования, физики и эволюции звезд и галактик, геодинамика и геотектоника;
- координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности.
Особая роль радиоастрономических исследований в миллиметровом диапазоне длин волн связана с тем, что именно в этом диапазоне находится абсолютный минимум яркостной температуры всего спектра электромагнитного космического фонового излучения. Доминирующим в этом диапазоне является реликтовое космологическое излучение. Ввиду этого диапазон является наиболее перспективным для проведения космологических исследований и исследований предельно холодной материи во Вселенной. Миллиметровые волны, как самые короткие в радиодиапазоне, позволяют реализовать самую высокую угловую разрешающую способность, как при использовании отдельных радиотелескопов, так и с помощью радиоинтерферометров. В миллиметровом диапазоне резко уменьшаются эффекты рассеяния и поглощения радиоволн в космической плазме (по сравнению с более длинными волнами), что позволяет исследовать внутреннюю структуру наиболее компактных объектов, изучать их переменность и поляризационные свойства. Наконец, астрономические объекты обладают в миллиметровом диапазоне необычайно богатым набором излучения атомов и молекул в спектральных линиях.
Для информационного обеспечения отмеченных астрономических задач строящийся радиотелескоп РТ-70 будет работать в трех режимах:
- как одиночный инструмент, обладающий многолучевой диаграммой (до 100 лучей одновременно),
- как основной инструмент наземной сети интерферометров в Евро Азиатском районе,
- как основной инструмент радиоинтерферометров Земля-Космос по программам фундаментальных космических исследований.
Во всех этих режимах РТ-70 в ММДВ может обеспечить наиболее высокую чувствительность и угловое разрешение при проведении наблюдений в непрерывном спектре, спектральных линиях, поляризационных измерениях и изучении быстропеременных процессов.
Таким образом, актуальность и важность создания радиотелескопов и систем радиотелескопов для наблюдения (КИР) ММДВ, в том числе систем их измерительно-информационного обеспечения, не вызывает сомнения. По-видимому, значительного прогресса в исследовании КИР можно достичь при использовании на больших радиотелескопах, к которым относится и РТ-70, матричных приемников излучения, так как в этом случае мы будем более детально наблюдать источники радиоизлучения, а использование методов цифровой фильтрации в этом случае позволит значительно повысить достоверность их отождествления. Более того, визуализация Галактики в радиодиапазоне будет новым, неиспользовавшимся ранее экспериментальным приемом, который, несомненно, будит способствовать новым открытиям.
Однако для перехода к практическому осуществлению задачи визуализации КИР миллиметрового диапазона необходимо, прежде всего, решить проблему повышения точности наведения больших радиотелескопов ММДВ. Сложность решения указанной проблемы заключается в том, что при наведении зеркальной системы (ЗС) РТ на КИР возникают некомпенсируемые деформации элементов ЗС. Это приводит к искажению распределения электромагнитного поля в зоне приема излучения.
Решение отмеченной проблемы связана с решением следующих сложных информационно-измерительных задач:
- создание систем дистанционного измерения координат и перемещений элементов антенной установки с высокой точностью;
- создание системы задания и поддержание базовых углов азимута и места с высокой точностью;
- создание системы дистанционного измерения расхождения оптических осей отражающих поверхностей зеркальной системы.
Цели и задачи работы. Целью работы является исследование и разработка информационно-измерительных систем, осуществляющих измерение и преобразование в цифровую форму параметров и характеристик РТ и окружающей среды для ввода их в вычислительно-управляющий комплекс (ВУК), вырабатывающий (вычисляющий) управляющие воздействия, обеспечивающие оптимальное или близкое к нему функционирование РТ во всех штатных режимах.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем, а так же зеркальных (антенных), систем приема и регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения и системы наведения и автосопровождения;
- исследование и разработка методов и средств измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы на основе анализа измеряемых параметров и существующих методов измерений;
- исследование и разработка оптико-электронных измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды на основе анализа измерительных задач системы мониторинга и степени влияния параметров окружающей среды на функционирование радиотелескопа;
- разработка инженерных формул и методик для расчетов узлов оптоэлектронных измерительных каналов радиотелескопа, а также оценок их метрологических характеристик;
- компьютерное и физическое моделирование оптико-электронных измерительных каналов смещений элементов конструкции зеркальной системы с целью уточнения их параметров и подтверждения теоретических исследований результатами экспериментов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений.
В первой главе проведен анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем, а так же зеркальных (антенных) систем, систем приема и регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения и систем наведения и автосопровождения КИР. Сформулированы задачи диссертационной работы. Во второй главе проведено исследование и разработка методов и средств измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы на основе анализа измеряемых параметров и существующих методов измерений. Разработана структура измерительной системы и исследованы погрешности измерений азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат, углового положения базовых элементов конструкции относительно гиростабилизированной платформы, положения основного зеркала относительно базовой системы координат, положения контррефлектора относительно базвой системы координат и положения зеркала перископического относительно базовой системы координат.
В третьей главе проведено исследование и разработка оптико-электронных измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды на основе анализа измерительных задач системы мониторинга и степени влияния параметров окружающей среды на функционирование радиотелескопа. Проанализированы измерительные задачи системы мониторинга и показана целесообразность построения системы мониторинга для РТ-70 на основе интерференционно-кодовых измерительных каналов каналов (ИКИК). Рассмотрены обобщенный оптико-электронный канал, а так же типы и структуры ИКИК. Получено обобщенное уравнение преобразования входной величины в ИКИК и на его основе проведен анализ погрешностей, являющихся одними из основных показатели качества ИКИК.
Четвертая глава посвящена разработке инженерных формул и методики расчета параметров узлов оптоэлектронных измерительных каналов радиотелескопа, включая выбор структуры оптического канала, типа модулятора, расчет параметров модуляторов, выбор источника и приемника света, выбор типа оптического усилителя и расчет его геометрических параметров, выбор типа оптического кодирующего устройства и расчет его геометрических параметров, определение геометрических параметров блока фотоприемников, а так же выбор структуры и составных элементов электронной части ИКИК.
В заключении приводятся основные результаты, сведения об апробации и внедрении результатов диссертации.
В приложении 1 описаны принципы моделирования типового ОЭИК, а так же методы и средства компьютерного и физического моделирования оптико-электронных измерительных каналов смещений элементов конструкции зеркальной системы. Проанализированы результаты моделирования.
В приложении 2 помещены акты использования результатов диссертационной работы.
Научная новизна.
1. Исследованы и разработаны системные аспекты создания оптико-электронных измерительных систем и каналов для большого радиотелескопа миллиметрового диапазона длин волн, позволившие предложить основные направления их синтеза.
2. Проведен теоретический анализ основных погрешностей измерения положения элементов зеркальной системы РТ-70, позволивший обосновать выбор оптимальных методов и средств оптико-электронных измерений.
3. Формализована задача синтеза оптимальных интерференционно-кодовых измерительных каналов на базе общепринятых показателей качества.
Практическая ценность.
1. Проведенный анализ оптико-электронных методов и средств измерения положения элементов конструкции РТ-70 позволяет осуществить целенаправленный синтез информационно-измерительных систем РТ-70, обеспечивающих повышение их точности и разрешающей способности.
2. Сформулированное обобщенное уравнение измерений ИКИК может служить основой для разработки методики расчета их погрешностей. 3. Разработанная методика выбора основных блоков ИКИК и расчета их параметров позволяет проектировать оптимальные ИКИК с заданными метрологическими параметрами.
4. Разработанные принципы компьютерного и физического моделирования оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС) РТ-70 позволяют соотносить результаты теоретических исследований погрешностей ОЭИС с результатами экспериментов и вносить необходимые корректировки.
Личный вклад автора в разработку избранной темы.
Личный вклад автора состоял в выборе, теоретическом обосновании и реализации методов и средств измерений и расчетов погрешностей. Он осуществлял постановку экспериментальных исследований, участвовал в их проведении, обработке результатов и их анализе.
Проведение конструкторских разработок для физического моделирования, компьютерное и физическое моделирование ОЭИС проводились совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.
Апробация работы.
Достоверность защищаемых положений подтверждена апробацией в научных публикациях (двух монографиях и трех статьях в рецензируемых научных журналах), обсуждением научных результатов на трех Международных конференциях, экспериментальными исследованиями, компьютерным моделированием, успешным использованием в двух организациях.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Структурные и системные варианты построения оптико-электронных систем измерения положения и смещения элементов конструкции радиотелескопа РТ-70 миллиметрового диапазона длин волн, удовлетворяющих требованиям его системы автоматического наведения.
2. Структурные и системные варианты построения интерференционно-кодовых измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды радиотелескопа РТ-70 миллиметрового диапазона длин волн.
3. Методы расчета погрешностей оптико-электронных систем измерения положения и смещения элементов конструкции и интерференционно-кодовых измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды радиотелескопа РТ-70 миллиметрового диапазона длин волн.
4. Методы расчета основных параметров элементов и узлов интерференционно-кодовых измерительных каналов.
5. Принципы компьютерного и физического моделирования оптико-электронных систем измерения положения и смещения элементов конструкции и интерференционно-кодовых измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды радиотелескопа РТ-70 миллиметрового диапазона длин волн.
Работа над материалами диссертации проводилась в АКЦ ФИАН и лаборатории методов и средств автоматизации Института проблем машиноведения Российской академии наук с 2002 по 2006 г.г.
Результаты работы внедрены в ОАО КБСМ и на кафедре Управления и информатики СПбГУАП (см. Приложение 2) Глава 1. Анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона
1.1. Антенные системы миллиметрового диапазона
Требования к характеристикам антенн радиотелескопов определяются условиями, которые связаны с особенностями приема радиочастотного сигнала в диапазоне УКВ, где существует значительно больше проблем, чем в диапазонах длинных, средних и коротких волн. Источники радиоизлучения, работающие в диапазонах ДВ, СВ и КБ, обладают значительно большей мощностью, чем в диапазоне УКВ. Распространение радиоволн этих диапазонов происходит легче благодаря явлениям дифракции и рефракции. Приемные устройства в указанных диапазонах обладают более высокой чувствительностью, чем приемники ММДВ. Оптимизация характеристик антенн для диапазона УКВ связана со значительными трудностями. В частности, достижение таких мощностей мм передатчиков, как в диапазонах.-ДВ, СВ и KB, оказалось пока практически невозможным. Явления дифракции и рефракции в диапазоне УКВ крайне незначительны. Чувствительность ММДВ приемника ограничена уровнем его собственных шумов, который составляет примерно 5 мкВ, из-за необходимости обеспечения широкой полосы пропускания. Поэтому для получения сигнала высокого качества, уровень входного сигнала должен быть хотя бы в несколько раз больше уровня собственных шумов, то есть не менее 100 мкВ, если не использовать криогенных приемников. Из-за небольшой мощности принимаемых сигналов и худших условий распространения радиоволн, напряженность электромагнитного поля в точке приема оказывается невысокой. Отсюда возникает одно из главных требований, предъявляемых к ММДВ антенне: при данной напряженности поля в точке приема антенна должна обеспечить напряжение сигнала, необходимое для нормальной работы мм приемника.
Регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения миллиметрового диапазона
Естественно, что ЭМ излучение в мм диапазоне проявляет свойства характерные для оптического диапазона [1]. Подобно фотооптическим системам, РТ можно рассматривать как устройство для регистрации интенсивности потока ЭМ волн удаленных точечных и протяженных КИР. В проекционной плоскости (ПП), на которую посредством ЗС проецируется наблюдаемый объект (плоскость апертуры облучателя), распределение интенсивности принимаемого ЭМ излучения может быть отождествлено с распределением интенсивности светового потока и с соответствующим ему некоторым условным зрительным образом.
Из-за больших расстояний от Земли до КИР, фронт приходящей волны можно считать плоским и для получения в первом приближении оценок электродинамических показателей ЗС можно использовать соотношения геометрической оптики.
В идеальном случае ЭМ излучение, попавшее в апертуру основного зеркала, ЗС должна собрать в точку (фокус или фазовый центр). При угловом отклонении оси ЗС от направления на КИР, фазовый центр будет смещаться из первоначального положения пропорционально этому угловому отклонению. Аналогично смещается изображение какого-либо объекта в кадре фотокамеры при отклонении оси объектива от направления на объект.
Однако, вследствие волновых свойств ЭМ излучения, даже в идеальной ЗС (т. е. безаберрационной), поток ЭМ излучения от точечного КИР не собирается в точку, а распределяется в соответствии с диаграммой направленности (ДНА) Возникает вопрос, как отличить два КИР, расположенные рядом в угловом измерении? Теория электродинамики позволяет вычислить наименьшее расстояние, разрешаемое системой, если известно, при каких распределениях интенсивности приёмник воспринимает ДНА раздельно [2]. Согласно Рэлею (1879), в оптическом диапазоне изображения двух точек одинаковой яркости ещё можно видеть раздельно, если центр дифракционного пятна каждого из них пересекается краем 1-го тёмного кольца другого (рис. 1.11.).
Для ММДВ по аналогии с определением Рэлея будем считать, что два КИР одинаковой светимости еще можно "видеть" раздельно, если центр ДНА каждого из них пересекается с краем первого бокового лепестка другого.
Способность ЗС отличать ДНА двух близких друг к другу КИР называется разрешающей способностью (разрешающей силой) ЗС РТ. Наименьшее угловое расстояние Д между двумя КИР, начиная с которого их ДНА становятся не различимы (сливаются), называется угловым пределом разрешения. Обратная ему величина обычно служит количественной мерой разрешающей способностью (PC).
РТ подобно глазу может «видеть» не отдельный источник, а целую «картину». При неподвижном облучателе, на него попадает перемещающийся фрагмент изображения участка неба, а не отдельного источника излучения. В апертуре облучателя необходимо осуществлять селекцию отдельных источников или записывать отдельные кадры изображения с использованием соответствующей аппаратуры.
В зависимости от геометрических характеристик ЗС для заданной длины волны могут быть рассчитаны угол зрения радиотелескопа и соответствующее ему поле зрения, а также ширина ДНА для точечного преемника и разрешающая способность. Приближенные расчеты, проведенные методами геометрической оптики для РТ с диаметром зеркала 70 метров при длине волны Х=1 мм, дают: угол зрения равен 600"; поле зрения п равно 900 мм;
При учете волновых свойств ЭМ излучения для точечного приемника ширина ДНА по половинной мощности 90 5 и предельное угловое разрешение равны примерно 3".
Если в соответствии с приведенными параметрами в плоскости апертуры приемника поместить матрицу, подобную ПЗС, диаметром 900 мм, то на матрице можно было бы разместить 16530 пикселей диаметром 7,02 мм и телескоп "увидел" бы участок неба в 600" с разрешением Д = 3". При этом разрешающая способность РТ по угловым координатам PC = 1/Д=0.33 [1/угл.с], а в линейном измерении в плоскости ПП Дп= 7.02 мм, РСП=1/Д„=0.14 [1/мм].
Применяя фрактальные методы обработки изображений и сглаживания, интенсивность радиоизлучения этого участка неба в апертуре приемника можно было бы представить в виде рельефа трехмерной поверхности, что по терминологии, взятой из оптической астрономии, соответствует блеску источников (звезд, галактик, межзвездного вещества, реликтового излучения) [3,4]. При этом угловое разрешение, которое определяется точностью наведения ЗС на КИР и составляет для РТ с диаметром зеркала 70 метров и с точечным приемником при длине волны Я,=1 мм в предельном случае 0.19о5 = 0.3", при использовании мозаичного приемника может быть существенно увеличено. Всё зависит от того, как выполнен приемник, как проведена запись изображения, как построена процедура фильтрации и распознавания изображения, какой используется метод исключения влияния деформаций ЗС. Запись сигнала с мозаичного приемника мм диапазона и последующее её преобразование в оптический диапазон позволит применить все существующие средства и методы распознавания оптических изображений применительно к мм диапазону.
Из-за ошибок наведения ЗС истинное распределение интенсивности принимаемого радиосигнала будет искажено. Компенсация этих искажений с помощью соответствующего управления приводами 03 и КР из-за их большой инерционности будет не полной. Это приводит к искажению принимаемых «изображений». Дополнительные искажения происходят за счет деформаций поверхностей 03 и КР, вызываемых гравитационными, тепловыми и ветровыми возмущениями. Влияния деформаций ЗС на поле в апертуре облучателя можно представить зависимостями коэффициента усиления ЗС от указанных возмущающих факторов (КЗС). В системе координат, связанной с апертурой облучателя, КЗС представляется некоторой гладкой поверхностью произвольной формы и может быть вычислен как функция от измеряемых деформаций с помощью соответствующих электродинамических моделей. КЗС можно записать в память вычислительного комплекса и использовать при реконструкции распределения интенсивности ЭМ поля, которое мы условно назовем изображением. По существу КЗС ЗС представляет собой маску для принятого и записанного в память изображения наблюдаемого участка неба. Учет маски повышает достоверность реконструкции изображения.
Измерение азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат
Систему измерения азимута ЗС относительно базовой предлагается строить на предположении, что ось поворота ЗС по углу места жестко привязана к ЗС. Для этого случая на неподвижных частях подшипников оси угла места надо разместить два оптико-электронных измерительных преобразователя (ТВИС) (рис.2.25), каждый из которых определяет свое угловое положение относительно реперных источников - светодиодов (СД), размещенных на поверхности основания радиотелескопа на фиксированном радиусе относительно вертикальной оси вращения. СД расположены с таким шагом (рис.2.26), что как минимум два из них одновременно находятся в поле зрения ТВИС. В свою очередь, каждый ТВИС одновременно с помощью матричных фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) определяет положение СД, в результате чего по номеру СД (грубый отсчет) и его положению в поле ФПЗС (точный, нониальный отсчет) определяются координаты в первом и втором ТВИС. Синхронная обработка результатов измерений по специальному алгоритму позволит частично исключить погрешности от смещения оси: вращения телескопа от воздействия ветровых и тепловых деформаций конструкции. Точный, нониальный отсчет обеспечивается параметрами оптической системы 3 ТВИС (рис.2.27а), геометрическими характеристиками матрицы ФПЗС 1 и цифровой обработкой изображений СД (рис.2.276). При определении координат наиболее приемлемым является алгоритм определения энергетического центра тяжести изображения, достоинствами которого являются простота и высокая точность (погрешность составляет 0,1...0,01 размера элемента ФПЗС) [55].
Алгоритм имеет следующие шаги: - определение координаты элемента с максимальным сигналом (имеющего в изображении наибольшую облученность); - формирование подматрицы ограниченного размера (например 5x5) с центральным элементом, соответствующим элементу с максимальным сигналом; - суммирование в пределах столбца и формирование одномерной последовательности; - вычисление суммы значений всех этих элементов; - вычисление суммы произведений значений этих элементов и их координат; - деление суммы произведений на сумму значений элементов. Этот алгоритм можно представить в виде следующих формул формул: где Л: И у - координаты элементов; U(x,y) - значение электрического сигнала в элементе; Хтах, Ymax - координаты максимального элемента; X, Y оценки энергетического центра тяжести изображения. Основываясь на матрице ФПЗС фирмы SONY ICX259AL (Туре 1/3) CCD, имеющей по вертикали 752, а по горизонтали 582 пикселя, с размером последних А = 6,50 мкм на В = 6,25 мкм, соответственно, и геометрических параметрах телескопа, для получения требуемой статической точности измерений менее 1" ТВИС должен иметь оптическую систему с фокусным расстоянием не менее f=1,4 м. Учитывая, что одновременно в поле зрения каждого ТВИС должно находиться не менее двух источников (СД), нетрудно получить, что на радиусе R = 50 м их общее количество может превысить N = 2000 шт. С учетом того, что предлагаемая матрица работает в телевизионном режиме, время обновления информации будет составлять не менее 25 мс. Применение линеек ФПЗС позволит сократить время измерения в несколько десятков раз и упростить схему обработки результатов измерения. Однако в этом случае "потеряется" вторая координата, которая может быть использована для контроля пространственного положения элементов конструкции РТ-70 в условиях эксплуатации. При расчете погрешности рассматриваемой измерительной системы использовались данные из научно-технической литературы, а также результаты исследований, проектных разработок и макетных экспериментов, проводящихся в отраслевой научно-исследовательской лаборатории (НПЛ ОЭС) кафедры "Оптико-электронные приборы и системы" СПбГТУ «ЛИТМО». Несмотря на кажущуюся простоту алгоритма аналитически оценить погрешность измерения непросто. Вызвано это разнообразием факторов, которые могут влиять на эту погрешность. Принято выделять три основных фактора, влияющих на измерение: разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), величина рассеяния изображения, отношение сигнал/шум. Основные ошибки измерения вызываются методическими, технологическими и эксплуатационными факторами. Методические погрешности, в основном, связаны с выбранным алгоритмом определения положения изображения. При выбранном алгоритме определения энергетического центра тяжести изображения на стенде НПЛ ОЭС экспериментальным путем на макете с указанной матрицей полученные значения погрешности определения положения точечного изображения составили 5Т = (0,05...0,07) размера пикселя ФПЗС (время измерений порядка 1 минуты, размер изображения более 5 пикселей матрицы). Для этой величины погрешность измерения азимута при выбранных параметрах оптической системы составит погрешность носит случайный характер, поскольку имеет много составляющих: на нее влияют как шумы матрицы, так и источника. Технологические погрешности определяются погрешностью изготовления оптических деталей, погрешностью измерения дистанции до СД и шагом элементов матрицы ФПЗС. Погрешность фокусного расстояния объектива и измерения дистанции до источника излучения вызывают погрешность измерения угла, которую нетрудно вычислить. Погрешность измерения дистанции до источника излучения (например, при изгибе конструкции от воздействия ветра на 6R = 50 мм) вызывает следующую погрешность измерения угла: Полагая, что величина погрешности изготовления фокусного расстояния не превышает 0,1% от величины фокусного расстояния [56], для максимального смещения угла ан в численном виде погрешность будет: что рассматриваемая технологическая погрешность является систематической и, в принципе, может быть скомпенсирована при калибровке системы.
Обобщенное уравнение преобразования входной величины
Исследование и описание ИКИК в общем виде возможно, если воспользоваться единой методологией изучения как отдельных блоков, так и их взаимодействий. Учитывая, что используемые оптические блоки рассматриваемых приборов в отдельности получили достаточно глубокое изучение, в данном случае нас будет интересовать достаточно общее описание их взаимодействий, различающихся по своей физической природе.
Таким образом, для создания ИКИК и разработки методик расчета их основных параметров необходимо сформировать математическую модель, описывающую взаимодействие всей совокупности входящих в эти преобразователи блоков.
Пространственно-временные периодические структуры и растры могут состоять из упорядоченных в пространстве и времени элементов в виде световых пятен, полос, отверстий линз и т.п. Взаимодействие этих элементов, отличающихся по своей физической природе, различно и может быть описано, например, в виде суммирования интенсивностей, либо в виде произведений функций пропускания, либо в виде пересечения множеств, описывающих границы элементов. В зависимости от физической природы элементов используемых структур можно пользоваться различным математическим аппаратом. Но тогда существенно снижается универсальность полученных результатов. Кроме того, в преобразователях используются муаровые эффекты различных порядков путем последовательного многократного сопряжения систем различных структур, что в свою очередь требует обобщенного описания процесса с точки зрения измерения.
При описании модели преобразования будем пользоваться некоторыми ограничениями, накладываемыми как на структуру ИКИК, так и на устройство его отдельных блоков. Основными блоками являются модулятор формирующий пространственно-временную периодическую структуру, и оптическое кодирующее устройство с оптическим усилителем, осуществляющие растровый анализ и кодирование. Взаимодействие этих блоков можно изучать с помощью математической модели взаимодействия пространственно-временных структур. Положим, что: Функция пропускания прозрачных элементов используемых структур постоянна. 1. В плоскости структур плотность потока излучения не меняется, то есть величина модуля вектора Умова-Пойтинга не меняется в плоскости, перпендикулярной оси распространения излучения и совпадающей с плоскостью структуры. 3. Геометрические размеры элементов рассматриваемых структур значительно больше длинны волны излучения. 4. Потери излучения в элементах структур принимаются равными нулю. Учитывая наличие у большинства аналого-цифровых ОЭК рассматриваемого класса не менее трех пространственно-временных структур, с помощью которых формируются соответствующие поля параметров структур В1, В2 и ВЗ, например, распределение интенсивности излучения, представим последние в следующем виде: где СС - преобразуемая аналоговая величина; X - обобщенная координата; t - время; U v - управляющий сигнал. При формировании пространственно-временных структур с помощью модулируемых и сканируемых пучков света все элементы структур образуются последовательно во времени, что может приводить, к необходимости запоминания их в течении времени развертки каждой строки. Указанное свойство запоминания требуется для того, чтобы все элементы пространственно-временных структур могли взаимодействовать с анализирующим растром. Запоминание может осуществляться с помощью специальных устройств, запоминающих сред или инерционных запоминающих приемников, например, ПЗС матриц или видиконов, Учитывая возможную необходимость запоминания всех точек пространственно-временных структур в течение заданного интервала времени Tc, структуры могут быть описаны следующим образом: где Гс - время запоминания всех точек пространственно-временных структур, t - момент времени наблюдения. Если нет необходимости запоминания элементов структур, например, при формировании их путем интерференции двух волн или пропускания пучка света через растр, то время Тс соответствует инерционности блока фотоприемников. Теперь взаимодействие двух структур в общем виде может быть представлено в виде уравнения: где: ty - время усреднения, J - функция взаимодействия пространственно-временных структур, I\X9t9Uc) - распределение интенсивности света в угловом поле зрения преобразователя, ис - синхронизирующий сигнал. В случае фильтрации пространственно-временных структур с помощью нелинейных элементов, например, нелинейной оптики на фоне случайных световых полей, может использоваться амплитудное ограничение излучения структуры, которое можно описать следующим образом. Обозначим для любой функции f(x) через Levela ф - область значений х, в которой Xх)—а. Пусть Q\(X,X7t) О. Тогда выделение пространственно-временной структуры с помощью амплитудного ограничения а приводит к появлению пространственно-временной структуры вида: При восприятии приемником какой либо характеристики результирующего поля, например, интенсивности /, полученная характеристика преобразуется согласно формуле: ще,Оф]ф -функционал, описывающий действие приемника. Взаимодействие двух структур в наиболее общем виде с учетом принятых допущений может быть описано следующим образом (см. рис.3.18): где Q\X ,t ,X) - значение параметра, например, интенсивности, результирующего электромагнитного поля в точке с координатами (х , у z ) и в момент времени наблюдения t, Bj (х, t) - функция пропускания потока света
Выбор типа оптического усилителя и расчет его геометрических параметров
После выбора модулятора может оказаться, что квант перемещения комбинационной полосы или луча света на выходе модулятора меньше допустимого размера элемента оптического кодирующего устройства (ОКУ). Это может быть либо из-за ограниченных технологических возможностей изготовителя, либо из-за нежелательности дифракции света за элементом ОКУ. Чаще всего такая ситуация возникает при использовании дефлекторного модулятора. В этом случае перед ОКУ устанавливают либо усиливающую оптическую систему из линз (см. рис.4.4с и рис.4.6) либо оптический усилитель перемещения ( ОУП ) одного из двух типов: муаровый ( МОУП ) или нониусный ( НОУП ). В последнем случае, если в проектируемом ИКИК используется дефлекторный модулятор, то за ним устанавливают формирователь светового растра, который луч света за модулятором расщепляет на ряд лучей, либо с помощью оптического делителя (см. рис.4.7), либо с помощью сканирующего звена с прерывателем (см. рис.4.8). Причем второй тип формирователя целесообразно использовать в ИКИК, когда первый не подходит из-за слишком больших потерь света в нем, что наблюдается при числе разрядов уже больше пяти (п 5), либо при преобразовании таких динамических параметров, как скорость перемещения или вращения, частота, момент и др. Формирователь устанавливают так, чтобы выход дефлектора оказался в фокусе его объектива (13 = F2). Зазоры между элементами формирователя и его выходом и ОКУ для уменьшения влияния атмосферы желательно делать минимальными. Основные соотношения для расчета параметров формирователей приведены в табл.4.12. При выборе типа ОУП можно исходить из следующих соображений. МОУП имеет меньший коэффициент усиления, чем НОУП. Однако у него нет зоны нечувствительности.
Поэтому МОУП целесообразно использовать всегда, когда он обеспечивает необходимый коэффициент усиления. Основные соотношения для расчета параметров ОУП приведены в табл.4.13. Причем, если соотношения шагов сопрягающихся в НОУП растров не соответствуют случаям, приведенным в табл.4.13, то расчет коэффициента усиления и диапазона необходимо проводить в соответствии с алгоритмами, показанными на рис.4.9 После расчета параметров ОУП необходимо проверить возможность изготовления эталонного растра с полученными параметрами. При этом может оказаться, что изготовить эталонный растр с рассчитанной шириной Сэ невозможно ввиду ее малости. Тогда необходимо, увеличить ширину лучей сигнального (светового) растра, падающего на эталонный растр, до допустимой величины ширины эталонного растр и увеличить соответственно ширину эталонного растра. Для этого за формирователем устанавливаем цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием (см. рис.4.10) на расстоянии 16 = F4 от выхода формирователя. Длина этой линзы должна быть L4 NXC, а ширина не менее допустимой ширины эталонного растра (В4 Сдоп).
Между этой линзой и выходом формирователя на той же оптической оси устанавливают еще одну цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием F3 0 (см. рис.4.10) на расстоянии 15 = ЛУ от выхода формирователя. Длина этой линзы должна быть той же, что и первой, а ширина определяться из соотношения B3 B4F3/F4 . При этом увеличение ширины лучей светового растра будет в F4/F3 раз. Поэтому величины F3 и F4 следует выбирать из соотношения F4/F3 Cflon/C3 При этом для уменьшения влияния атмосферы желательно выбирать F3 как можно меньше. Теперь можно выбрать тип. эталонного растра по табл.4.14, ориентируясь на рассчитанные параметры ОУП. Структуры ФП - ЖК, растры на стоячих акустических волнах и ЭЛТ целесообразно использовать только в ОУП с регулируемым коэффициентом усиления, отдавая при прочих равных условиях предпочтение структурам ФП-ЖК, имеющим меньше габариты и стоимость. Выбор других, нерегулируемых растров (с ЭР1 по ЭР4) в основном определяется технологическими возможностями предполагаемого изготовителя. Приведенные в табл.4. 15 оптические характеристики эталонных растров можно использовать в дальнейшем для уточнения параметров блока ф отоприемников. Кроме того, хотя параметры оптического кодирующего устройства (ОКУ) еще не определены, тем не менее целесообразно оценить следующее неравенство: ткс (л:а!ф2)/4 где: с - минимально возможный по условиям дифракции или технологии изготовления размер элемента ОКУ по оси У, сіф - диаметр фоточувствительной площадки фотоприемника. Если последнее неравенство не выполняется, то необходимо увеличить ширину проекции комбинационной полосы на ОКУ , например, с помощью описанной ранее оптической системы из двух цилиндрических линз. В качестве примера приведем расчет геометрических параметров и выбор типа эталонного растра ОУП для пяти разрядного ИКП. При этом за дефлектором на расстоянии 13 = 2 10"2 м устанавливаем объектив с фокусным расстоянием F2 = 2 10"2 м. Для уменьшения влияния атмосферы как можно ближе к этому объективу (Ц = 1мм ) устанавливаем оптический делитель ОД с углом установки полупрозрачных зеркал у = л/4 Положим, что фщщ = Дер = 5 104рад. Тогда будет фтах - 5-104,25 1,6 10"2 рад и этому углу будет соответствовать максимальное преобразуемое напряжение Может оказаться, что по технологическим условиям изготовление ОКУ с шагом элементов или интервалом квантования Д = 5 = 10 мкм невозможно. Тогда используется усиление перемещения с помощью ОУП. Для этого как можно ближе к ОД (Ь 1мм) устанавливают эталонный растр НОУП (см. рис.4.11)
