Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из наиболее важных и перспективных направлений космической деятельности России с её огромной территорией и географическим положением. Богатство природных ресурсов, труднодоступность отдельных районов, сложность в организации и проведении наземных, аэрологических и авиационных наблюдений обуславливают необходимость дальнейшего развития средств и методов ДЗЗ.
С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные и практические задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных районов, так и страны в целом.
Данные ДЗЗ широко используются при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйства; поиске, инвентаризации и освоении природных ресурсов; охране природы; прогнозировании погоды; оценке глобальных изменений и эволюции климата и др.
В настоящее время среди средств дистанционного зондирования поверхности Земли доминируют оптико-электронные средства видимого и ближнего ИК диапазонов спектра. Они включают, как правило, бортовую специальную аппаратуру на базе фотоприемников с пространственно-регулярной дискретной структурой элементов.
Отдельный класс средств дистанционного зондирования составляют так называемые малые космические аппараты (МКА) ДЗЗ, в который входят так называемые миниспутники. Современная элементная база позволяет сделать их вес от 100 кг до 500 кг при практически полном сохранении функциональности, присущей аппаратам с массой порядка 1 т.
Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов, предопределяют все возрастающую роль оптико-электронных средств оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в общей совокупности привлекаемых средств. Наиболее активно развивается направление миниспутников оперативного наблюдения, так как их разработка и выведение на орбиту обходится сравнительно дешево. Сроки эксплуатации таких систем меньше чем у больших космических аппаратов, соответственно существует тенденция их постоянного совершенствования. Особенности конструкции обуславливают использование легкой, эргономичной и максимально информативной целевой аппаратуры. Одним из основных устройств, обеспечивающих качество и объем получаемой информации являются используемые в оптоэлектронные преобразователи (ОЭП) фотоприемные модули (ФПМ), однако существующая степень их интеграции не позволяет получить требуемую полосу захвата и пространственное разрешение, задаваемые современными требованиями информативности систем.
Отсюда возникает необходимость и актуальность создания метода получения плотноукомпонованной фокальной сборки из доступных ФПМ как в корпусном, так и бескорпусном исполнениях посредством оптического совмещения их фоточувствительных областей без потери информации в области их стыковки. Использование данного метода позволит повысить эффективность средств ДЗЗ.
Данной проблемой широко занимались ведущие организации России и других стран. Результаты разработок внедрены в такие системы как PLEIADES (Франция), Spot (Франция совместно с Бельгией и Швецией), Канопус, Ресурс-ДК (Россия), THEOS (Таиланд) и многие другие, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи и книги. Однако, разработанные решения были большей частью направлены на большие и средние космические аппараты. Данные разработки предусматривают высокие требования к стабилизации движения спутника и, как следствие, практически неприменимы для миниспутников.
В составе аппаратуры миниспутников используются одиночные ФПМ и повышение информативности в части увеличения полосы захвата происходит благодаря использованию ФПМ большего формата в целевой аппаратуре последующих модернизаций моделей спутников.
Увеличение формата ФПМ можно достичь уменьшением составных элементов, увеличением площади подложки либо одновременным выполнением обоих условий. Сегодняшний уровень технологии изготовления ФПМ практически достиг минимальных размеров составных элементов на подложке и максимальных размеров самих подложек. Кроме того получение структур высокой размерности (более 50 мегапикселей в единой структуре) имеет низкую надежность и высокую стоимость из-за трудности достижения однородных параметров по всей фотоприемной области.
ФПМ большого формата можно заменить эквивалентной сборкой из нескольких модулей меньшего формата, которая будет более высокой по надежности, менее дорогой и более доступной с точки зрения поставки комплектующих.
Таким образом, научно-техническая проблема, которая решается в данной работе заключается в разработке метода построения фокальной плоскости оптико-электронных преобразователей (ОЭП) с оптическим совмещением активных областей (АО) ФПМ посредством прямой отражающей призмы без потерь информации в зоне оптической стыковки для систем размещаемых на мини- и микроспутниках.
Объектом исследования является ОЭП с оптическим совмещением фоточувствительных зон сенсоров посредством прямых отражающих призм, собранные в единую фокальную сборку.
Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкция ОЭП с оптическим совмещением фоточувствительных зон ФПМ посредством прямых отражающих призм, собранных в единую фокальную сборку.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы создания ОЭП с оптическим совмещением АО ФПМ без потерь информации в зоне стыковки для систем миниспутников ДЗЗ. Совокупность теоретических, научно обоснованных технических решений, конструкторско-технологических основ проектирования и реализация устройств может внести значительный вклад в развитие экономики страны и повышение её обороноспособности.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Проведен анализ проблем, решаемых современными техническими средствами ДЗЗ на базе МКА с точки зрения пространственного разрешения и полосы захвата. Исследованы используемые на сегодняшний день методы сборки фокальных плоскостей;
-
Обоснована возможность оптического совмещения активных областей ФПМ без потерь информации в области оптической стыковки;
-
Разработана математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по Z-планарной технологии;
-
Разработан метод восстановления целостной информации в области оптической стыковки с учетом характеристик существующей электронной компонентной базы;
-
Разработана базовая конструкция ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ;
-
Разработан алгоритм юстировки ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ, обеспечивающий повышение технологичности при производстве;
-
Спроектированы и изготовлены опытный образец ОЭП, юстировочный стенд и сопутствующее программное обеспечение, обеспечивающее контроль параметров совмещения и восстановление информации в области оптической стыковки;
-
Сопоставлена математическая модель оптического совмещения с экспериментальными данными опытного образца ОЭП.
Методы исследований.
При проведении исследований в диссертационной работе использовался математический аппарат, основанный на классических методах линейной алгебры, планиметрии и линейной оптики, методы компьютерного моделирования и проектирования научного эксперимента. Использовался метод экспертных оценок.
Научная новизна.
-
Предложена конструктивная модель ОЭП, позволяющая значительно сократить габариты при сохранении основных оптических параметров ОЭП;
-
Предложен метод фокальной сборки ОЭП, основанный на оптической стыковке активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы;
-
Разработана математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по Z-планарной технологии;
-
Предложена модернизация метода регистрации информации в области оптической стыковки активных областей ФПМ, расширяющая сектор обзора;
-
Разработаны принципы методики юстировки ОЭП, обеспечивающие повышение технологичности при производстве.
Основные научные результаты и положения выносимые на защиту.
-
Метод проектирования ОЭП смотрящего и сканирующего типа по методу оптического совмещения активных областей ФПМ.
-
Метод фокальной сборки ОЭП, основанный на оптической стыковке активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы
-
Модернизация метода регистрации информации в области оптической стыковки активных областей ФПМ, расширяющая сектор обзора;
-
Математическая модель оптических эффектов при прохождении светового потока через оптическую систему ОЭП, построенного по Z-планарной технологии;
-
Принципы методики юстировки и контроля параметров ОЭП, созданного по методу оптического совмещения активных областей ФПМ посредством прямой отражающей призмы.
Практическая значимость научных положений и выводов диссертационной работы.
-
Проведена разработка конструкции и технологии изготовления ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ без потерь информации в зоне стыковки для систем МКА ДЗЗ;
-
Предложен принцип построения ОЭП с оптическим совмещением активных областей ФПМ обеспечивает значительное снижение массогабаритных характеристик прибора при сохранении тактико-технических параметров;
-
Реализована схема многовыводного ОЭП увеличивающая скорость считывания информации и увеличивающая его надежность.
-
Показана возможность увеличения полосы захвата ОЭП без ухудшения разрешающей способности при использовании специализированных сенсоров.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается
Комплексностью проведенных исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования;
Многократной экспериментальной проверкой теоретических результатов;
Обсуждениями на научно-технических конференциях и публикациями в периодических рецензируемых научных изданиях, а также экспертизой заявки на изобретение.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы в виде:
метода построения фокальной сборки ОЭП с реализацией опытного образца по разработанной конструкторской и технологической документации;
методике юстировки и контроля параметров ОЭП, созданных по предложенному способу построения фокальной сборки;
программного обеспечения контроля качества сборки ОЭП с последующим восстановлением целостности информации в области оптической стыковки
Результаты работы внедрены на предприятии ФГУП «НИИМП-К» г. Зеленоград, что подтверждается актом внедрения.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях:
«Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике. VII международная конференция молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России», Королев, Московская область, «ИПК Машприбор», 2009г
«Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике. VIII международная конференция молодых специалистов организаций ракетно-космической, авиационной и металлургической промышленности России», Королев, Московская область, «ИПК Машприбор», 2010г.
«Зеленоград – Космосу», Москва, МНТОРЭС им. Попова, филиал ФГУП «ГНП РКЦ «ЦСКБ - ПРОГРЕСС» - «НПП «ОПТЕКС», 2011г.
«Микроэлектроника и информатика-2012. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов», Москва, МИЭТ, 2012г.
Публикации по теме диссертации составляют 10 печатных работ, включая 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК России для опубликования научных результатов диссертаций и 3 публикации тезисов и докладов. С единоличным авторством опубликовано 5 печатных работ. Получен патент РФ на изобретение.
Личный вклад.
Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 130 страниц, включая 74 рисунка, 5 таблиц и библиографию из 67 наименований, из которых работы автора составляют 10 наименований.
