Введение к работе
Актуальность темы
Современное состояшіе и перспективы освоения мирового океана и космического пространства, совершенствование измерительной техники и техники контроля производственных процессов, а также необходимость решения многих других хозяйственных и оборонных задач требуют применения оптоэлектронных устройств с высоким разрешением, большой светосилой и возможностью передачи изображения по волноведущим (световедушим) конструкциям па значительные расстояния без существенных искажений по полю и с высокой скоростью.
Проблемы создания таюгх оптоэлектронных систем представляют интерес с физической и прикладной точек зрения. Известны устройства, предназначенные для передачи изображения окружающей обстановки на расстояния с применением матричных приборов с зарядовой связью (МПЗС) и пространственно-временных модуляторов света (ПВМС), аналоговых и цифровых волоконно-оптігческих линий связи (работы Днанова Е.М., Скорикова В.М., Захарова И.С, Дубовика А.С. Русипова М.М., Якунина А.Г., Гончаренко A.M., Гапрнндашвилн Х.И.. Казлаускаса П.В., Лобанова А.В., Игнатьева В.В., Установа В.М. и др.). Анализ зарубежных литературных источников также указывает на ведущиеся интенсивные исследования и разработки оптоэлектронных систем передачи изображения на расстояние. Однако, созданные приборы как правило предназначены для наблюдения окружающей обстановки в статическом режиме, когда на время обзора не накладывается жестких ограничений, проблемы координатной привязки системы наблюдения, расположенной на корпусе базового аппарата не возникают. Кроме того, па размеры, вес и конструкционные материалы систем визуального контроля часто не накладывается жестких ограничений. Между тем, при решении ряда специальных задач наблюдения окружающей обстановки, обнаружения и распознавания образов и др. необходимо вьшолнеіше ряда требований н критериев, которые предъявляются к оптическим узлам формирования визуального изображения. Эти требования относятся к габаритам, весу, скрытности (отражательной способности) аппаратуры с одной стороны, а с другой - к дальности, времени обнаружения (обзора), точности пеленгования наблюдаемых объектов, разрешающей способности аппаратуры. Кроме того, для решения ряда специальных задач наблюдения и обнаружения требуется вести обзор в реальном масштабе времени при больших углах обзора (до 360 ), вне стационарного корпуса аппарата (за бортом), т.е. с дополнительного выносного устройства, жестко не связанного с базовым аппаратом и меняющего во времени свою пространственную ориентацию, что затрудняет как сам процесс наблюдения, так и определение в динамическом режиме координат наблюдаемого объекта.
Актуальна также и проблема надежности работы оптоэлектронной системы наблюдения при наличии радиационных излучений (излучения ядерного, космического излучения, СВЧ-излучения и т.п.), которая требует гарантированной защиты элементов радио- и оптоэлектронных устройств от радиации.
Несмотря на значительное количество работ по созданию оптоэлектронных систем передачи изображений, вопросы, связанные с перечисленными выше
проблемами, остались нерешенными. Поэтому валшое значение приобретает разработка физических и математических основ решения этих задач, проведение экспериментальных исследований и выработка оригинальных конструкций, которые эффективно функционируют при выполнении указанных выше ограничений.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка физических и математических основ, методов и средств создания новых, отличных от существующих как по характеристикам (меньший вес и габариты, меньшее время обзора, увеличенная дальность обнаружения и опознавания объектов и др.), так и по функциональным возможностям (работа в динамическом режиме колебаний, защищённость от разлігчньгх видов излучений, обработка изображений в реальном масштабе времени, автоматический пеленг объекта и т.д.), оптозлектрошіьіх приборов и устройств наблюдения окружающей обстановки и контроля параметров ряда изделий в процессе их промышленного изготовления и испытаний.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
теоретически и экспериментально обосновать возможность создания оптического устройства наблюдения при круговом обзоре и дальнометрировании, работающего в динамическом режиме колебаний, и при условии пространственного разнесения оптических блоков формирования изображения и электронных блоков обработки оптической информации. Характеристики оптического устройства должны обеспечивать высокое качество изображения в плоскости электроннооптического преобразователя;
разработать методы стабилизации изображения при колебаниях оптической системы относительно плоскости неподвижного экрана наблюдения;
обеспечить необходимую устойчішость оптической системы при медленных колебаниях базового аппарата, на котором расположен оптический блок системы наблюдения;
обобщить теоретические исследования функционирования лазерных дальномеров и предложить устройство, совмещающее принцип оптического наблюдения и лазерного дальнометрирования;
теоретически исследовать влияние нестабильности работы лазерного излучателя на точность определения дальности оптическим локатором;
исследовать вопросы влияния проникающей радиации на элементы опто-электронных систем; разработать электродинамичесюш метод расчета полосковой линии передачи с неоднородностями, которая используется в методе экспериментального исследования влияния СВЧ-излучения на элементы разработанной оптоэлектронной системы наблюдения;
на основе разработанных подходов и принципов предложить схему многофункциональной оптико-электронной системы наблюдения, воплотить ее в действующий макет и провести исследования характеристик и параметров системы;
я выработать практические рекомендации и указать пути дальнейшего совершенствования характеристик н расширения функциональных возможностей системы;
на основе предложенных принципов разработать ряд приборов с другими функциональными возможностями и условиями функционирования.
и Для проверки физических и теоретических подходов при разработке отдельных узлов оптоэлектронных устройств и снятия их параметров и характеристик разработать методики измерений и сконструировать специальные экспериментальные стенды
11а защиту выносятся
-
Физические и математические модели функционирования, методы и средства создания оригинальных по конструкции и функциональному применению оптоэлектронных приборов и устройств визуального наблюдения окружающем обстановки и контроля качества изделий в процессе их промышленного производства.
-
Экспериментальный макет уникальной системы визуального наблюдения и далыюметрирования, который в своем функциональном использовании носит приоритетный характер, т.к. позволяет расширить возможности и получить улучшенные характеристики по сравнению с существующими системами наблюдения, а также повысить скрытность и боевую эффективность оборонной техники.
-
Решение проблемы стабилизации оптического устройства при колебаниях аппарата, на котором расположена оптическая головка системы визуального наблюдения, и пути дальнейшего совершенствования способов стабилизации.
-
Способы снятия информации с матриц ПЗС, позволяющие повысить точность определения координат наблюдаемого объекта, увеличить скорость обработки и объем передаваемой информации.
-
Методы повышения помехозащищенности и скрытности каналов связи, уменьшеїшя масс-габаритных и энергоемких характеристик приемно-передающих оптоэлектронных устройств.
6 Методы анализа частотных характеристик нелинейных колебательных сисіем и
нестабильности генератора опорного оптического сигнала для оценки ее влияния
на точность определения координат лазерным дальномером. 7. Злектродинамігческий метод расчета структуры СВЧ-полей в полосковых линиях
передачи для исследования влияния электромагнитного излучения на элементы
оптоэлектронных устройств.
Научная и практическая ценность работы, реализация результатов работы
Проведенные в диссертации исследования направлены как на обобщение физических принципов и явлений, связанных с задачами формироваїшя, передачи, преобразования оптического изображения и распознавания наблюдаемых объектов, так и на создание математических методов и приёмов, позволяющих моделировать эти процессы и широкий класс коїікретіаїх задач. Разработанные физические и математические модели, методы и средства послужили основой создания новых, оригинальных по конструкции и применению оптоэлектронных приборов и устройств динамического наблюдения и контроля.
Автором получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
Теоретически обоснованная модель и практически реализованный макет сканирующего оптического устройства кругового обзора с требуемым разрешением, временем обзора, минимальными габаритами и весом для обеспечения максимальной устойчивости устройства и предельной скрытности.
Методы стабилизации изображения при колебаниях оптической системы относительно плоскости изображения.
Принципы обеспечения устойчивости оптической системы при колебаниях базового аппарата на котором расположен оптический блок системы наблюдения.
Физически обоснована модель устройства, совмещающего принципы оптического наблюдения и лазерного далыюметрирования.
Новые способы снятия информации с ПЗС матриц, позволяющие повысить точность определения координат наблюдаемых объектов, увеличить скорость получения информации.
Методы теоретического анализа и результаты исследования нестабильности оптического излучателя для оценки влияния на точность далънометрирования.
Электродинамическая теория расчёта структуры СВЧ-поля в полосковых системах, позволяющая применить её для исследования воздействия СВЧ-нзлучения на оптические электронные приборы и устройства.
Экспериментальный макет уникальной оптоэлектронной системы наблюдения и далыюметрирования с передачей изображения по ВОЛС на расстояния до 1 км, позволяющей вести наблюдение окружающей обстановки с заданной степенью разрешения и в динамическом режиме колебаний базового аппарата.
Н Созданные и подтвердившие спою работоспособность в промышленности:
оптоэлектронная система контроля качества внутренних поверхностей опытных изделий, позволяющая с высоким разрешением вести наблюдение за качеством поверхности в труднодоступных местах изделия (цилиндрические полости с изменяющимся диаметром, неосвещаемые внутренние полости и т.д.);
оптоэлектронная система контроля электромагнитной совместимости элементов радиоэлектронной аппаратуры, позволяющая исследовать свойства радиоизделий в сильных СВЧ-полях, достигающих десятков мегаватт.
Полученные в работе результаты нашли применение на предприятиях оборонной промышленности в виде конкретных приборов и устройств, а также входят в содержание специальных курсов, читаемых автором на физическом
факультете Самарского государственного университета. Кроме того, часть результатов проведённых научных изыскании отражена в монографии [33]. которая рекомендована УМО по радиотехнике, электронике автоматике Министерства общего и профессионального образования РФ для межвузовского использования в учебном процессе радиотехнических и радиофизических специальностей.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на различных конференциях и семинарах, в том числе на X Всесоюзной научно-технической конференции "Электроника СВЧ" (Минск, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (Ленинград, 1984), Всесоюзной школе "Технические средства и методы исследования мирового океана" (Москва, 1987), II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниковыми и полупроводкиково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ-схем" (Саратов, 1988), IV Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Новосибирск, 1989). IV Межгосударственной школе-семинаре "Техника, теория, математическое моделирование и САПР систем информации на ОИС СВЧ и КВЧ" (Москва, 1992), VII Всесоюзной школе-совещании "Стабилизация частоты и проблемы формирования сигналов радио- и оптического диапазонов" (Новороссийск, 1992). V Международной научно-технической конференции "Математическое моделирование на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ" (Сергиев Посад, 1995), Российской научно-технической конференции - секция "Проблемы злектродішамнческого моделирования и реализации радиоэлектронных устройств и систем СВЧ и КВЧ диапазонов" (Самара, 1996), VIII Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ (Охотино, 1996), IX Международной школе-семинаре "Электродинамика и техшіка СВЧ и КВЧ (Самара, 1997), а таюке на спецсеминарах, посвященных обсуждению проблемы исследования путей создания оптико-электронных систем специального назначения, в ведущих МИН и вузах страны: Могнлевском отделении института физики АН Белоруссии, Томском институте АСУ и радиоэлектроники, Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО), Физическом институте АН РФ, институте кибернетики АН Грузии, Московском институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии, Центральном специализированном конструкторском бюро (Самара), научно-производственном объединении автоматических систем, а также на спецсеминарах в ряде НИИ и КБ Минобороны и оборонпрома.
Публикации и личный оклад автора
Список научных работ автора состоит нз 75 наименований (в том числе 2 книги в централыгых издательствах, 4 авторских свидетельства), Список публикаций, отражающих основное содержание работы приведен в конце научного доклада и составляет 24 наименования [10-33].
В указанных работах автору настоящего доклада принадлежат: постановка задач и формулировка подходов к их решению, идеи, ряд теоретических и конструкторских решений, положенных в основу разработанных оптоэлектронных устройств наблюдения и контроля; руководство и непосредственное участие во всех экспериментальных исследованиях, анализе и обобщении полученных результатов, а также в формулировании выводов и в определении перспективных направлений по дальнейшему совершенствованию разработанных устройств. В коллективных работах по разработке электродинамических методов решения задач распространения электромагнитных волн в различных однородных и неоднородных волноведущих конструкциях (волноводы, световоды, полосково-щелевые структуры и др.) вклад автора состоял в непосредственном выборе направления исследований, анализе полученных результатов и их апробации в читаемых специальных курсах и руководстве научными семинарами на кафедре радиофизики и компьютерного моделирования радиосистем Самарского государственного университета, в постановке задач, организации и руководстве научными исследованиями аспирантов и соискателей кафедры (защищено 4 кандидатских диссертации). Автору принадлежит обоснование новых возможностей электродинамической теории при решении актуальных задач проектирования интегральных схем СВЧ и решении смежных проблем радиофизики и электроники, а также анализ прикладных результатов построенной теории, которая может быть применена, в частности, и при разработке методики "инженерного" расчета элементов и систем передающих трактов в различных участках частотного диапазона, включая и оптический диапазон длин волн, при проектировании оптоэлектронных систем наблюдения и контроля.
