Содержание к диссертации
Введение
1. Сканирующие устройства тепловизоров 14
1.1. Сканирующие устройства тепловизоров 1-го поколения 14
1.1.1 .Сканирующие устройства на основе вращения разнонаклонными гранями 15
1.1.2. Сканирующие устройства с разделением сканирования по строке и кадру 19
1.1.3. Сканирующие устройства на основе преломления оптического потока 20
1.2. Сканирующие устройства тепловизоров второго поколения 22
1.2.1. Сканирующие устройства фирмы amdrige Technology (США) 27
1.2.2. Отечественные сканирующие устройства 28
1.3. Анализ и обобщение существующих технических решений сканирующих устройств тепловизоров второго поколения. 32
2. Разработка и обоснование требований к сканирующим устройствам епловизоров П-го поколения 36
2.1. Коэффициент полезного действия и закон сканирования 38
2.2. Повторяемость закона и равномерность сканирования на рабочем участке 40
2.3. Однонаправленный и двунаправленный законы сканирования 59
2.4. Оценка влияния характеристик сканирующего устройства а параметры эффективности тепловизора второго поколения 68
2.5. Составляющие параметров сканирующего движения 73
3. Разработка и исследование технических решений сканирующего устройства 82
3.1. Состав и структура сканирующего устройства 84
3.2.1. Анализ конструкции сканирующего устройства в статике 91
3.2.2. Анализ конструкции сканирующих устройств в динамике 98
3.3. Система управления сканирующим устройством 104
3.3.1.Устойчивость системы управления канирующим устройством. 107
3.3.2. Расчёт закона управления сканирующим устройством и рограммное обеспечение 110
3.4. Синтез сканирующего устройства 114
4. Разработка методики и исследование экспериментального образца сканирующего устройства 122
4.1. Измерение характеристик сканера 123
4.2. Измерение и оценка реального закона сканирования 128
4.3. Расчётная оценка параметров эффективности тепловизора по результатам измерений характеристик сканера 132
Заключение 144
Библиографический список используемой литературы 146
Приложение 1
- Сканирующие устройства тепловизоров второго поколения
- Повторяемость закона и равномерность сканирования на рабочем участке
- Система управления сканирующим устройством
- Измерение и оценка реального закона сканирования
Введение к работе
В связи с развитием микроэлектронной промышленности и технологий изготовления оптических материалов, производство высокоразвитых стран претерпевает бурный рост номенклатуры тепловизионных приборов (ТВП) различного назначения. Возможность, «видеть» инфракрасное излучение (ИК), которую даёт тепловизионная техника, открывает перед пользователем огромные возможности в различных отраслях деятельности человечества. Тепловизоры, находят применение в дефектоскопии, медицине, диагностике энергосетей, разведке и т.д.
Основу тепловизоров составляют приёмники чувствительные к ИК-излучению. Они преобразуют энергию теплового излучения тел в электрический сигнал. Отечественная и иностранная промышленность выпускает различные приёмники, отличающиеся принципом работы и типом фоточувствительного материала. На сегодняшний день уже практически достигнут теоретически возможный предел чувствительности приёмников излучения. Кроме того, современный уровень развития микроэлектронной промышленности позволяет создавать не только единичные чувствительные элементы в одном приёмнике, но и в виде линеек и матриц чувствительных элементов в одном фотоприёмном устройстве. Такая интеграция позволила упростить схемы механического сканирования, необходимого для получения изображения, и даже полностью отказаться от неё.
Наметившаяся тенденция увеличения числа приёмников излучения с многоэлементной матрицей чувствительных элементов позволяет предположить полный отказ от использования механических сканирующих устройств в тепловизорах. С появлением матричных приёмников «смотрящего» типа, некоторые специалисты оптико-электронного приборостроения прогнозируют невостребованность сканирующих тепловизионных систем. Основными аргументами в пользу отказа от сканирующих устройств является более низкая надёжность тепловизионных приборов на их основе, большие
5 габариты, значительное потребление электроэнергии, более низкая температурная чувствительность.
Таким образом, основной задачей производства тепловизоров становится оптимизация, которая должна позволить достичь предельно возможных характеристик тепловизионного изображения и снизить цену приборов.
Тем не менее, даже достижение теоретически возможного предела качества изображения, получаемого современными тепловизорами с многоэлементными фотоприёмными устройствами (МФПУ) 3-го поколения, в ряде случаев оказывается недостаточным для практических целей. В этом отношении некоторые преимущества перед ТВП 3-го поколения остаются за тепловизорами 2-го поколения, основу которых составляют субматричные фотоприёмные устройства (СФПУ)[1].
Как известно в ТВП 2-го поколения получение кадра изображения происходит сканированием поля зрения фотоприёмным устройством с линейкой чувствительных элементов [1]. При этом основным отличием от тепловизоров 1-го поколения, при формировании изображения, является возможность реализации режима временной задержки и накопления (ВЗН). Это, например, позволяет значительно уменьшить влияние растровой структуры МФПУ, получить более широкое поле зрения. Геометрический шум в СФПУ меньше чем в МФПУ смотрящего типа. Для СФПУ требуется более простой объектив, чем для МФПУ при условии обеспечения одинаковых показателей эффективности тепловизора, возможно получение большего пространственного разрешения, что обеспечивает большую дальность действия тепловизионных приборов. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что сканирующие тепловизоры останутся востребованными в некоторых областях деятельности человека, и в своей нише они будут превосходить по эффективности тепловизоры смотрящего типа.
При проектировании тепловизоров 2-го поколения, одной из основных проблем является формирование механической развёртки с высокой равномерностью скорости движения изображения в плоскости чувствительного
6 элемента (ЧЭ) СФПУ [3]. Такую механическую развёртку должна обеспечивать электромеханическая система сканирования. Несмотря на то что работы по созданию системы сканирования у нас в стране ведутся уже несколько лет, до сих пор не получены удовлетворительные во всех отношениях результаты.
Система сканирования, состоящая из сканера и блока управления сканера должна удовлетворять множеству требований предъявляемой тепловизионной камерой. Одним из главных требований, как было сказано выше, является обеспечение высокой равномерности скорости поворота сканирующего зеркала (СЗ) закреплённого на оси сканера.
Известно множество сканирующих устройств непрерывного вращения [4]-[6], однако практически все они имеют малое КПД сканирования, либо значительное виньетирование, либо большие габариты. То есть, классические сканирующие устройства непрерывного вращения имеют, существенные недостатки, и уже не могут обеспечить высоких требований, предъявляемых к тепловизионному прибору 2-го поколения. Единственной альтернативой, позволяющей достичь максимальных характеристик ТВП, является сканирующее устройство ограниченного вращения или сканер. В этом случае сканер реализует колебательное движение СЗ с частотой десятки герц. До недавнего времени задача колебания СЗ с такой частотой и амплитудой несколько градусов оставалась неразрешимой, не говоря уже о формировании при этом участка с высокой равномерностью скорости поворота СЗ.
В России, в разное время, различные организации пытались создать сканирующие устройства ограниченного вращения. Эта эпопея длится уже как минимум два десятилетия. На сегодняшний день, в нашей стране, вопросами создания сканеров различного назначения занимаются несколько организаций. Из них половина, а именно только 3 предприятия, ведущие работы в направлении применения сканеров в ТВП, достигли некоторых практических результатов.
В городе Бердск, «Электромеханический завод» изготавливает сканеры на базе моментного двигателя с вращающейся рамкой (обмоткой). Сканеры,
7 изготовленные в Бердске, реализуют низкодинамичный двунаправленный (или «треугольный») закон сканирования [8].
ФГУП НПО ГИПО (г. Казань) также разрабатывает сканеры ограниченного вращения на базе двигателя с мостовой магнитной схемой. Сканер, изготовленный в ГИПО, так же не отличается высокой динамикой движения, и используются для реализации двунаправленного закона сканирования.
И, наконец, в ЗАО «НПФ «ОПТООИЛ» (г. Казань), при участии автора диссертации, спроектированы и изготовлены сканеры, отличающиеся высокой динамикой [7]. Сканеры выполнены на базе моментного двигателя с гладким ротором и ротором-магнитом, и позволяют получить как однонаправленный закон сканирования, так и двунаправленный[8].
Тем не менее, созданные сканирующие устройства ещё не в полной мере удовлетворяют всем требованиям предъявляемых к тепловизионной системе. Влияние неидеальности параметров движения СЗ сканера на формируемое тепловизионное изображение ещё недостаточно изучено, поэтому создание сканирующего устройства и его исследование является актуальной задачей.
Целью данной работы является создание сканирующего устройства ТВП 2-го поколения и исследование влияния параметров движения сканирующего зеркала на параметры эффективности ТВП 2-го поколения.
Для достижения поставленной цели был поставлен и решён ряд задач:
Анализ и выявление параметров движения СЗ в ограниченном угле влияющих на формируемое тепловизионное изображение.
Разработка математической модели высокодинамичного сканирующего устройства. Исследование и оценка параметров эффективности ТВП 2-го поколения в зависимости от погрешности реализации закона сканирования.
Сравнение однонаправленного и двунаправленного законов сканирования при реализации режима ВЗН.
Анализ конструкции макета сканирующего устройства ограниченного вращения, разработка рекомендаций для конструирования экспериментального образца.
Создание экспериментального образца сканирующего устройства и разработка методики измерения характеристик сканера и параметров сканирующего движения.
Разработка методики и программ расчёта габаритов сканера и закона управления сканером оптимального с позиций энергопотребления и быстродействия. Разработка методики и программ оценки влияния характеристик сканера и качества сканирования на эффективность тепловизоров 2-го поколения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель сканирующего устройства ТВП 2-го поколения и параметров движения СЗ.
Разработана методика оценки влияния параметров сканирующего движения зеркала на основные параметры эффективности ТВП.
Предложено и исследовано три варианта реализации режима ВЗН.
Проведено сравнение степени влияния однонаправленного и двунаправленного законов сканирования на формируемое изображение.
Предложен и запатентован способ уменьшения люфта ротора сканера, что позволяет улучшить показатели эффективности тепловизора.
Методы исследования
Для анализа влияния параметров движения СЗ на характеристики формируемого изображения использовался математический аппарат теории линейной фильтрации. Расчёт закона управления сканером, который был представлен линейной математической моделью, производился с использованием дифференциального исчисления и элементов элементарной алгебры.
Практическая ценность
Разработаны методики и алгоритмы расчёта габаритов сканера, оптимального закона управления сканером, оценки параметров эффективности тепловизора в зависимости от характеристик сканера и параметров движения сканирующего зеркала. Создан пакет программ реализующих эти алгоритмы.
Сформулированы требования к конструкции сканирующего устройства и системе управления для применения в составе ТВП 2-го поколения.
Разработан и изготовлен экспериментальный образец сканирующего устройства. Сканирующее устройство испытано и эксплуатируется в составе тепловизора.
Разработаны методики измерения характеристик сканера, параметров движения сканирующего зеркала и проведены измерения.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании сканирующих устройств, анализе влияния характеристик сканера на параметры эффективности ТВП 2-го поколения.
Защищаемые положения
Требуемая динамика колебания СЗ для реализации однонаправленного закона сканирования обеспечивается сканером на базе моментного двигателя с гладким статором, оптического инкрементального датчика углового положения, радиально действующего прижима ротора и комбинированной системой управления сканером.
Расчёт габаритов сканера и программного управляющего напряжения сканера обеспечивается с высокой точностью на основе разработанной методики расчёта и реализованной в виде пакета прикладных программ.
Адекватность математической модели сканирующего устройства экспериментальному образцу, что позволяет рассчитывать и прогнозировать с малой погрешностью ожидаемую эффективность
реализации режима ВЗН и параметров эффективности ТВП 2-го поколения на этапе конструирования тепловизоров. 4. При однонаправленном режиме сканирования влияние погрешности характеристик сканера и параметров движения СЗ на параметры эффективности тепловизоров значительно меньше, чем при двунаправленном сканировании, поэтому при выборе направления разработки сканирующего ТВП 2-го поколения предпочтительнее использовать однонаправленный режим сканирования.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на конференциях и симпозиумах:
- Лазеры для медицины, биологии и экологии. -СПб: СПбГПУ, 2005
- XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУИТМО,
2005.
XIX международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. ГНЦ РФ, ФГУП НПО «ОРИОН», 2006.
- Сканирующее устройство ограниченного вращения в составе
тепловизора было испытано в ФГУП НПО «ОРИОН». Сканер обеспечивает
получение устойчивого изображения с удовлетворительным качеством.
Личный вклад автора
Все основные результаты, представленные в диссертации, получены либо лично автором, либо по его инициативе и при его непосредственном участии. В частности, автором предложено и исследовано три варианта синхронизации работы сканера и СФПУ. Проведено сравнение однонаправленного и двунаправленного законов сканирования. Предложен способ уменьшения люфта ротора сканера в подшипниках и т.д.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 работ: 2 статьи, получен патент на изобретение, 5 тезисов докладов по материалам конференции.
В качестве информационной базы исследования, использованы данные из учебников по проектированию оптикоэлектронных приборов, теории систем автоматического управления, журнальных статей о сканерах, фотоприёмных устройствах и ТВП, информация от производителей.
Толчком к выполнению данной работы послужила необходимость создания ТВП 2-го поколения на базе сканирующего устройства ограниченного вращения. Необходимость и целесообразность разработки сканирующих тепловизоров обоснована Алеевым P.M. (д.т.н., специалиста в области оптико-электронного приборостроения) в его печатных трудах [9], [10].
Огромную помощь в анализе, выборе привода сканера и алгоритма управления сканером, оказал д.т.н., профессор Афанасьев А.Ю. (Казанский государственный технический университет им. Туполева). Так же была использована информация из его книг по проектированию электродвигателей [11]-[14]. В качестве основы анализа формирования сигнала на ЧЭ СФПУ использована информация, изложенная в работах Тришенкова М.А. [1], Мирошникова М.М. [15]. И в диссертационной работе Солякова В.Н. [16]. Статический и динамический анализ конструкции сканера проводился в соответствии с методиками, изложенными в работе Маслова Г.С. [17]. Информация о преобразователях углового положения используемых в сканерах получена от производителей и из работы Л.Н. Преснухина [18]. Методика расчёта параметров эффективности ТВП с учётом реальных параметров сканирования основана на выводах сделанных в работе Дж. Ллойда [4]. Информация о вариантах управления сканером получена из работ по теории автоматического управления, в частности из работы классиков автоматики В.А. Бесекерского, Е.П.Попова [19]и Р.Дрофа и Р.Бишопа[20].
Несмотря на то, что идея получения изображения сканированием линейки ФПУ предложена давно, до сих пор не существует подробных методик синтеза
12 сканирующих устройств ограниченного вращения для тепловизоров 2-го поколения. Так же не имеется подробной информации касающейся анализа влияния характеристик сканера и параметров движения СЗ на характеристики ТВП. Некоторую разрозненную информацию на этот счёт можно найти, например, в работах [4],[15].
В этой работе подробно показано, какие характеристики сканера и параметры движения СЗ, влияют на эффективность ТВП. Показано, как они проявляются на полученном изображении. Характеристики сканера представлены через передаточные функции, что позволяет разработчикам тепловизионной аппаратуры оценить степень влияния системы сканирования на параметры эффективности ТВП. Получен патент на изобретение «Способ уменьшения люфта ротора сканирующего устройства», что позволяет уменьшить возмущения привносимые сканером в канал формирования тепловизионного изображения. Также предложено три варианта синхронизации работы сканера и выборок сигналов в СФПУ.
В работе сформулированы требования к вновь разрабатываемому сканирующему устройству обеспечивающие минимизацию возмущений привносимых сканером в канал формирования изображения.
Значимость работы, по мнению автора, в том она позволяет разработчикам ТВП аппаратуры и сканирующих устройств в частности, вести разработку новой техники используя на практике данные и выводы, касающиеся проектирования сканирующих устройств. Простота и доступность изложенного материала позволяет воспользоваться представленной информацией широкому кругу специалистов, не обладающих специальными теоретическими знаниями. Акценты смещены в область практического применения описанных в работе методик, с достаточной для практической разработки приборов детализацией.
Предложено три варианта синхронизации работы сканера и выборок СФПУ, что даёт разработчикам большую свободу в проектировании сканирующего устройства и ТВП в целом.
Сканирующее устройство было изготовлено и испытано в составе ТВП выполненного по заказу ФГУП НПО «ОРИОН» г. Москва. Несмотря на выявленные недостатки у сканера и блока управления, устройство обеспечивает удовлетворительное качество изображения. Недостатки, имеющиеся у сканера, выявлены, и определена мера влияния конструктивных особенностей сканера на характеристики движения СЗ.
Сканирующие устройства тепловизоров второго поколения
В тепловизорах 2-го поколения для преобразования теплового излучения в электрический сигнал используется ФПУ имеющее несколько рядов из ЧЭ. В этом случае, для получения изображения достаточно получения развёртки по одной координате. Частота следования сканов в этом случае равна частоте кадров (если не требуется межстрочной развёртки). Учитывая, что частота кадров для нормального восприятия изображения глазом человека должна быть в пределах нескольких десятков герц, требования по динамике движения СЗ сканера в ТВП 2-го поколения значительно меньше, чем в ТВП 1-го поколения. То есть, в ТВП 2-го поколения, появилась техническая возможность получить развёртку сканирующим зеркалом, колеблющемся в ограниченном угле.
Появление высокоточных малогабаритных датчиков положения и высокомоментных микродвигателей предопределило направление развития тепловизоров 2-го поколения. Устройства, реализующие колебание СЗ в ограниченном угле, в зависимости от назначения именуются дефлекторами, сканаторами, сканерами, сканирующими устройствами. В тепловидении такие приборы принято называть сканерами.
Независимо от названия таких приборов, все они имеют одинаковое построение. Основу этих приборов составляют высокомоментные электродвигатели ограниченного вращения.
Для контроля положения ротора двигателя используется сигнал с датчика углового положения, имеющего единое исполнение с двигателем [18],[21]-[22]. Управление сканирующим устройством осуществляется блоком управления представляющего собой усилитель мощности и систему, формирующую требуемый закон управления [19],[23]. Эти приборы, в качестве исполнительного устройства, могут иметь шторки для перекрывания потока излучения, зеркала для отклонения излучения и др. приспособления. Как видно из выше сказанного, устройства ограниченного вращения нашли широкое применение во многих сферах деятельности человека. Это медицина, лазерная гравировка, маркировка, лазерные шоу и.д. Возможность, задания любого закона изменения угла зеркала, закреплённого на оси ротора сканирующего устройства, с высокой точностью, позволяет использовать сканирующее устройство ограниченного вращения для отклонения потока излучения в оптической системе тепловизора. При этом возможна реализация двух вариантов сканирования: однонаправленный и двунаправленный закон сканирования (см. рис. 1.2.1) При этом кадр благодаря использованию СФПУ формируется за один скан. Пример топологии ЧЭ такого СФПУ показан на рис. 1.2.2. Такой способ формирования изображения имеет ряд существенных достоинств и по сравнению с другими способами описанными выше. К достоинствам сканирующего устройства следует отнести небольшие габариты, отсутствие виньетирования. К недостаткам относятся - сложная система управления, сложность обеспечения высокой равномерности скорости, и низкая частота сканирования (не более сотен герц).
Существует несколько типов сканеров, которые различаются по типу используемого двигателя и типу датчиков углового положения ротора [24]. Наиболее широкое применение нашли сканеры, выполненные на основе: моментного магнитоэлектрического двигателя с ротором-магнитом, моментного магнитоэлектрического двигателя с вращающейся рамкой, и эл. двигателя с мостовой магнитной схемой и реактивным ротором. В комбинации с этими двигателями используются оптические инкрементальные датчики -энкодеры; оптические, ёмкостные или индуктивные аналоговые преобразователи. Кроме того, в сканерах, независимо от типов МД могут использоваться торсионные пружины, повышающие динамику устройств.
На сегодняшний день мировыми лидерами в производстве сканирующих устройств являются фирмы GSI Lumonics (США), Nutfield Technology (США), Cambridge Technology (США). В таблице 1. [24] приведены некоторые характеристики сканирующих устройств производимых в настоящее время.
На сегодняшний день, одним из мировых лидеров в производстве сканеров ограниченного вращения является американская производственная компания Cambridge Technology. Перечень продукции этой компании, охватывает практически весь спектр возможных типов сканеров. Выпускаются сканеры на базе МД с ротором магнитом, с ротором - вращающейся рамкой и ротором из стали. В комбинации с этими электроприводами используются датчики положения ротора - оптические и ёмкостные. Сканеры этой фирмы предназначены для приведения в колебательно - вращательное движение оптических зеркал с апертурами 3-75 мм, с амплитудой до 40е. Внешний вид некоторых из производимых сканеров показан на рис. 1.2.1.1-1.2.1.3:
Повторяемость закона и равномерность сканирования на рабочем участке
Сканирующее устройство является одним из узлов участвующих в формировании тепловизионного изображения. Понятно, что отклонение параметров движения СЗ от номинального оказывает влияние на формируемое изображение. Погрешность сканирования, под которой понимается отличие фактического движения СЗ от номинального, определяется большим числом факторов, учёт которых трудновыполнимая и неблагодарная (нерациональная) задача. Однако, все погрешности сканирования, влияющие на эффективность преобразования оптического излучения в электрический сигнал, удобно привести к погрешностям двух интегральных (выходных) характеристик сканера, которыми удобно оперировать при расчёте эффективности реализации режима ВЗН в СФПУ. Это погрешность повторяемости движения СЗ от скана к скану и неравномерность его угловой скорости вращения на рабочем участке скана.
Погрешность повторяемости, так же как и скорость сканирования оказывает влияние на функцию передачи модуляции (ФПМ) ТВП [4],[16] Однако как будет показано далее для анализа и расчёта удобно разделить на ФПМ повторяемости закона сканирования и неравномерности скорости сканирования.
Кроме того, необходимо учитывать, что работа сканера и СФПУ могут различным образом завязаны друг с другом. Прежде всего, совместная работа сканера и СФПУ определяется вариантом их синхронизации [53].
Погрешность повторяемости определяет шум, привносимый в изображение, и имеет составляющие, обусловленные случайными процессами, например, следующими:1. Отклонения движения ротора (зеркала) сканера обусловленные случайными помехами в сигнале управления.2. Случайные изменения момента трения в подшипниках ротора сканера.3. Шумом в сигнале датчика углового положения (ДУП) СЗ и блока управления сканером и т.д. 4. Поперечными колебаниями ротора сканера из-за наличия люфта вподшипниках при действии внешней вибрации. Шум представленный описанными выше факторами воспринимается оператором в виде размытия изображения вдоль направления сканирования.
Неравномерность угловой скорости поворота СЗ на рабочем участке скана имеет следующие составляющие:1. Крутильные колебания конца вала сканера с ДУП относительнодругого конца вала с укрепленным на нем СЗ (см. рис.2.2.1).2. Колебательный переходный процесс ротора при выходе сканера собратного хода на рабочий участок сканирования.3. Статическая ошибка в сигнале системы управления сканера и т. д.
Оценим, каким образом повторяемость и неравномерность угловой скорости колебательно-ограниченного вращения СЗ влияют на эффективность реализации режима ВЗН. Повторяемость закона сканирования.
Повторяемостью закона сканирования называют диапазон отклонения углового положения зеркала от своего среднестатистического положения в одинаковые моменты времени от начала сканирования. Некоторые реализации нескольких сканов поясняющих суть понятия повторяемости угла показаны на рис. 2.2.2.
Большая величина повторяемость закона сканирования проявляется, когда нет жёсткой привязки моментов считывания сигналов с ЧЭ и действительным положением сканирующего зеркала. В этом случае изображение получается размытым по азимуту (ухудшается передаточная функция системы вдоль направления сканирования). Это обусловлено тем, что кадры, формирующие это изображение, отличаются друг от друга, даже если картина в плоскости объекта не меняется (Пропорции деталей по азимуту в разных кадрах различные). Так как постоянная времени глаза человека около 0,2 с. то различия в кадрах следующих с периодом меньшим 0,2 с. человеком воспринимаются как диффузия изображения (размытость по азимуту).
Величина повторяемости зависит от множества случайных воздействий, таких как шум в аналоговых электронных цепях управления сканером, цифровой шум в вычислительной микропроцессорной системе, случайное изменение момента трения в подшипниках, и т.д. Следовательно, повторяемость закона сканирования, с высокой точностью можно описать нормальным законом распределения, а численное значение получать в виде дисперсии или среднеквадратичного отклонения угла зеркала от своего среднестатистического положения в заданный момент времени.
Расчёт величины повторяемости производится по известным правилам, широко описанным в литературе по системам автоматического управления, например [19],[20]. Значение повторяемости угла соответствующее 6а (при нормальном распределении) для серийно выпускаемых сканеров лежит обычно в пределах 2-Ю мкрад.
Произведём оценку влияния повторяемости закона сканирования на эффективность тепловизора. Как было сказано выше, величина повторяемости оказывает влияние на ФПМ. Назовём ФПМ обусловленную наличием повторяемости - передаточной функцией сканера.
При анализе, совместной работы СФПУ и сканера, удобно привести параметры движения СЗ к движению изображения в плоскости СФПУ. Выразим максимальную величину углового отклонения СЗ от номинального через отклонение 1Р изображения в плоскости чувствительных площадок СФПУ (см рис.2.2.3).
Система управления сканирующим устройством
Для управления приводом сканера необходима электронная система управления, включающая усилитель мощности. Учитывая высокие требования по точности при наличие множества возмущающих воздействий, основным требованием к системе управления является её замкнутость [19].
Так же необходимо обеспечение высоких требований к точности реализации сканирующего движения при высокой динамике. Обеспечениепоследнего условия возможно с помощью комбинированной системы управления обеспечивающей инвариантность по задающему воздействию и по возможности по возмущающему[30]-[31].
Таким образом, оптимальным по точности, простоте, и надёжности для реализации требуемого алгоритма управления сканером является цифровая система управления, например на базе микроконтроллера.
Для управления МД сканера была разработана и изготовлена замкнутая система автоматического управления (САУ) МД комбинированного (инвариантное управление по задающему воздействию с регулированием) типа (см. рис.3.3.1).і0, со0, а0- ток ОУ, скорость вращения и угол поворота СЗ, соответствующие оптимальной программе,/, со, а- фактические значения тока ОУ, скорости вращения и угола поворота СЗкцус - коэффициент передачи сигнала датчика угловой скорости вращения,кдуц - коэффициент передачи сигнала датчика углового положения,А - коэффициент передачи сигнала датчика тока.Программно-управляющая микропроцессорная система выдает на цифроаналоговые преобразователи ЦАШ и ЦАП2 соответственно цифровые коды сигналов им и Аа=(а - а). Где они преобразуется в аналоговые сигналы им(0,и 1дуАа(0 Рис.3.3.2. Структурная схема САУ МД
Аналоговые сигналы %і(0 ду СО? дсш(0 с выхода датчика угловойскорости ДУС и кщ i(t) с выхода датчика тока ДТ приходят на входы сумматора, выходной сигнал которого поступает на вход усилителя мощности УМ. Он питает напряжением и обмотку управления, последовательно с которойвключен датчик тока ДТ. С ротором моментного двигателя МД механически связаны зеркало, роторы датчика углового положения ДУП и датчик угловой скорости ДУС.
Сигнал UM, равен текущему значению напряжения ОУ МД, соответствующему оптимальной программе вращения зеркала за вычетом сигнала отрицательной обратной связи и деленному на коэффициент усиления усилителя мощности. Он содержит слагаемые, компенсирующие кинетическую погрешность и отрицательную обратную связь по току.и = -кіі-к(й-каа. (3.3.1.4)
Подставляя выражение (3.3.1.1)- (3.3.1.3) в уравнение (3.3.1.4) и исключая из уравнений все переменные, кроме а, получаем уравнение:
Устойчивость можно проанализировать по амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристике САУ (см. рис.3.3.1).
Это значит что замкнутая система правления сканером при известных величинах коэффициентов усиления - устойчива. Характер переходного процесса колебательный с затуханием [20].
Как было сказано выше, для обеспечения высокой точности и быстродействия регулирования, выбрано инвариантное по задающему воздействию управление. В качестве задающего воздействия берётся пилообразная функция изменения угла. Далее, эта функция преобразуется в управляющее напряжение являющееся инвариантом по отношению к задающему воздействию. Определим, функцию изменения управляющего напряжения, при котором реализуется сканирующее движение ротора сканера. Напряжение управления сканером можно задать так же из условий удовлетворения, каких либо требования.
Найдём напряжение управления из условия минимизации потерь мощности на обмотке сканера. Колебательное вращение ротора МД, (ротора ДУС), ДУП и зеркала описывается системой уравнений 3.3.1.1-3.3.1.3. На напряжение и наложено ограничение:
Зеркало должно совершать периодическое колебание с частотой fsc несколько десятков Гц. За короткий период времени ti (на обратном ходе) происходит остановка зеркала, разгон и вращение в отрицательном (обратном) направлении, остановка и разгон до скорости линейного участка движения. В течение времени [ti, t2] происходит вращение зеркала в прямом направлении на требуемый угол сканирования с постоянной скоростью соо (см. рис.3.3.2.1).
Измерение и оценка реального закона сканирования
Как было сказано выше, характер движения ротора сканера определяет множество воздействующих факторов: изменяющаяся температура, напряжение питания, точность вычисления закона управления и.д. Поэтому реальный закон движения ротора может сильно отличатся от требуемого.
Ротор сканера, как было сказано выше, не является абсолютно жёстким, поэтому параметры движения в различных точках сканера отличаются друг от друга. Это обусловлено, прежде всего, большими угловыми ускорениями, действующими на ротор сканера, что приводит к скручиванию оси сканера и возбуждению крутильного механического резонанса. По этой причине замеры параметров движения ротора сканера необходимо производить и по зеркалу и по ДУП (см. рис.4.2.1).
Определение реального закона движения сканера по ДУП проще всего проводить путём измерения периода следования СИ. Поскольку частота следования импульсов (частота дискретизации по времени) на несколько порядков выше, чем частота вращения, можно допустить, что в пределах времени равном периоду следования СИ скорость постоянна. В этом случае её значение можно вычислить по формуле: Аа
Практически измерение можно проводить с использованием микропроцессорных средств аналогично измерению точности ДУП описанном в главе 4.1. Период следования синхроимпульсов измеряется микроконтроллером в отладочной плате- Debugger (см. рис.4.2.2).
- Все измеренные значения периодов между СИ измеряются за один скан и сохраняются в реальном масштабе времени в оперативной памяти debugger-a. Далее, результаты измерения передаются в компьютер, где с помощью программных средств проводится расчёт и визуализация данных.
Результатом измерений будет значение отклонения скорости от номинального значения в зависимости от углового положения ротора ДУП:оа = (4.2.2)где: cay- номинальное значение скорости.Измерение качества сканирующего дижения по зеркалу проводится с использованием оптико-механических средств.
Схема измерения неравномерности движения сканера показана наКак и в методике измерения скорости по ДУП измерение скорости по зеркалу сводится к измерению периода времени между эл. импульсами на фотодиоде, полученными от двух источников излучения в коллиматоре при сканировании. Разворачивая поворотный стол вокруг своей оси, в пределах рабочей амплитуды колебания ротора, через равные угловые промежутки снимаем отсчёты временного интервала между импульсами. Получаем зависимость Т (величину обратно пропорциональную скорости поворота вала) от угла. Данные измерения сводятся в таблицу и с помощью программных средств отображаются в виде графика.
Путём анализа результатов полученных данных определяют составляющие движения ротора, обусловленные переходными процессами, крутильными колебаниями и т.д.
В качестве примера показано оно из реализаций сканирующего движения реального образца с пересчётом на скорость (см. рис.4.2.4).
Как видно из рисунка 4.2.4 в функции изменения скорости поворота СЗ прослеживаются составляющие переходного процесса и статическая ошибка скорости. Составляющие крутильных колебаний на графике отсутствуют, что говорит о том, что жёсткость вала соединяющего ротор и СЗ достаточно велика, и при доступной точности измерения крутильные колебания как составляющие основного движения СЗ не обнаружены.
Сканирующее устройство ограниченного вращения, как правило, представляет собой законченное самостоятельное устройство, или, по крайней мере, изготавливается в виде модуля, который можно встраивать в ТВП. В этом случае при проектировании тепловизионного прибора имеется возможность произвести более точный расчёт характеристик разрабатываемого ТВП, учитывая имеющиеся данные по закладываемому сканеру. Методика расчёта представлена в главе 2.3.
По правилам представленным в главе 2.4 нужно вычислить повторяемость закона сканирования и неравномерность скорости сканирования. Необходимые при этом данные определяются по методикам, показанным в
