Исследование оптико-электронной системы определения взаимного рассогласования элементов космического телескопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Молев, Федор Владимирович

• Молев, Федор Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Молев, Федор Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ ОБЪЕКТИВОВ И СЛУЖЕБНЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛЕСКОПОВ

1.1. Обзор существующих оптических схем объективов космических телескопов

1.1.1. Зеркальные объективы телескопов

1.1.2. Достоинства и недостатки зеркальных объективов

1.1.3. Классификация зеркальных объективов

1.1.4. Зарубежный опыт использования зеркальных объективов для космических телескопов

1.1.5. Зеркальный триплет Кука

1.1.5.1. Принципиальная схема триплета Кука

1.1.5.2. Достоинства и недостатки триплета Кука

1.1.5.3. Основные параметры объектива Кука

1.2. Служебные системы космических телескопов

1.2.1. Основные характеристики качества изображения

1.2.2. Состав и назначение систем контроля и корректировки положения оптических элементов

1.2.2.1. Принципы построения систем юстировки и фокусировки

1.3. Примеры использования служебных систем в современных оптико-электронных комплексах космического базирования

1.3.1. Проект «Миллиметрон»

1.3.1.1. Общие принципы построения ОЭС измерения положения элементов зеркальной системы ОРТ «Миллиметрон» на борту КА

1.3.1.2. ОЭС измерения пространственного положения лепестков ГЗ относительно идеального параболоида (ОЭСГЗ)

1.3.1.3. Второй вариант ОЭС измерения пространственного положения лепестков ГЗ относительно идеального параболоида (ОЭСГЗ)

1.3.1.4. ОЭС измерения пространственного положения лепестков ГЗ относительно КР

1.3.2. Оптико-электронный комплекс «Карат»

1.3.2.1. Система коррекции положения визирных осей

1.4. Выводы по рассмотренным оптико-электронным системам

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВ ПОВОРОТА КОНТРОЛИРУЕМОГО ЭЛЕМЕНТА АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

2.1 Структура оптико-электронной автоколлимационной системы

2.2 Формулировка задачи исследования

2.3 Главное расчётное соотношение автоколлимационных измерений

2.4 Обобщённый вид матрицы преобразования координат

2.5 Вид матрицы отражателя общего вида

2.6 Исследование параметров матриц отражателей для измерения коллимационных углов на основе одиночного и тройного зеркала

2.7 Исследование параметров матриц отражателей для измерения коллимационных углов на основе двугранного зеркала

2.8 Исследование параметров матриц отражателей для измерения угла скручивания

2.9 Результаты анализа известных отражателей для автоколлимационных измерений

2.10 Отражатель для автоколлимационных измерений по первому варианту - в виде стеклянного тетраэдра

2.11 Отражатель для. автоколлимационных измерений по второму варианту - в виде четырёхгранной пирамиды

2.12 Принцип действия отражателя нового типа для автоколлимационных измерений

2.13 Отражатель для автоколлимационных измерений на основе тройного зеркала с компланарными нормалями

2.14 Отражатель для угловых измерений на основе виде двугранного зеркала с внутренней автоколлимацией

2.15 Отражатель для угловых измерений с внутренней автоколлимацией в виде призмы; алгоритмы измерения углов поворота

2.16 Исследование отражателя для угловых измерений с внутренней автоколлимацией на компьютерной модели

2.17 Исследование экспериментального образца отражателя для угловых измерений с внутренней автоколлимацией

2.18 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ОБЪЕДИНЁННЫМ КАНАЛОМ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

3.1 Моделирование в технологии Zemax на примере классической автоколлимационной схемы

3.2 Возможные варианты авторефлекционной схемы

3.3 Авторефлекционная схема. Вариант 1

3.4.1 Графическое построение

3.4.2 Моделирование в САПОС Zemax

3.4.3 Проведение экспериментальной апробации

3.4 Авторефлекционная схема. Вариант 2

3.4.1 Графическое построение

3.4.2 Моделирование в САПОС Zemax

3.4.3 Проведение экспериментальной апробации

3.5 Сравнительный анализ реализации авторефлекционных схем по двум вариантам

3.6 Сравнение автоколлимационной и авторефлекционной измерительных схем

3.6.1 Основные достоинства автоколлимационной схемы

3.6.2 Основные достоинства авторефлекционной схемы

3.7 Практические варианты схемы оптико-электронной системы с единым каналом измерения угловых и линейных смещений

3.8 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ МАРОК

4.1 Алгоритмы поиска изображений марок

4.2 Алгоритмы вычисления координат изображений марок

4.2.1 Метод средневзвешенного

4.2.2 Метод медиан

4.2.3 Метод аппроксимации гауссоидой

4.2.4 Результаты моделирования методов определения центра изображений измерительных марок

4.3 Методы определения поворота оси симметрии изображения при измерении угла скручивания

4.3.1 Результаты моделирования поворота изображения марки имеющей форму штриха

4.3.2 Метод двух координатного барицентрирования с последующей аппроксимацией по узловым точкам

4.3.3 Алгоритм определения центра изображения произвольной формы

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АК - автоколлиматор.

АФУ - автоколимационный фотоэлектрический угломер.

АФЛ - автоколлимационный фотоэлектрический измеритель линейных смещений.

БКЭ - базовый контрольный элемент.

БСРУ - блок светораспределительный угловой.

БУО - блок управления и обработки.

ВЗ - вторичное зеркало.

ГЗ - главное зеркало.

ИИ - источник излучения.

КМОП - комплементарный «металл-окисел-полупроводник». КР - контррефлектор.

КЭУ - контрольный элемент вторичного зеркала угловой.

КЭ - контрольный элемент.

ОРТ - оптико-радио телескоп.

ПЗ - перископическое зеркало.

ПЗС - прибор с зарядовой связью.

СКЗ - среднеквадратическое значение.

СКО - среднеквадратическое отклонение.

САФ - система автоматической фокусировки.

САЮ - система автоматической юстировки.

САЮЛ - систем автоматической юстировки линейной.

САЮУ - систем автоматической юстировки угловой.

ФМ - фотоприемный модуль.

ФСИ - формирователь сигналов изображения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптико-электронной системы определения взаимного рассогласования элементов космического телескопа»

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важных направлений развития оптики в настоящее время является разработка и усовершенствование большого класса объективов космических телескопов, что связано с расширением круга исследовательских задач, решаемых с применением такого рода техники.

К таким задачам относятся, прежде всего, дистанционные наблюдения за различного рода удаленными космическими объектами, в том числе и наблюдение изменений, происходящих с Землей.

Основным принципиальным отличием именно космического телескопа является вывод сложного оптико-электронного прибора в космическое пространство для снижения влияния атмосферы Земли на формируемое изображение и передача полученных изображений высокого качества в дальнейшем на наземные исследовательские станции для их последующей обработки и анализа.

Автономная работа в космосе накладывает ряд достаточно жестких ограничений на конструкцию прибора и возможность его дополнительной юстировки во время работы, поэтому особенно важным становится определение взаимного рассогласования элементов оптической системы космического телескопа для возможности проведения последующей дистанционной юстировки. Так же необходимо проводить уточнение взаимного положения систем координат, связанных с телескопом и измерительными приборами, используемыми системой управления движением космического аппарат для определения точности наведения оси визирования космического телескопа на объекты наблюдения, например, при выполнении программ сканирования земной поверхности [3,5].

Для получения возможного решения обозначенной проблемы необходимо

провести анализ возможных методов определения рассогласования элементов

оптико-электронной системы космического телескопа, рассмотреть наиболее

часто использующиеся оптические схемы объективов космических телескопов с

7

целью получения конструкции такого объектива максимально упрощающей дополнительную дистанционную юстировку и разработать метод определения рассогласования элементов оптической системы объектива космического телескопа для дальнейшей юстировки с помощью предусмотренных конструктивных подвижек.

Указанные обстоятельства определяют актуальность темы диссертации, посвященной исследованию высокоточных оптико-электронных систем определения пространственного положения объектов для метрологического обеспечения систем измерения взаимного положение адаптации отражающих элементов телескопов.

Целью диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование оптико-электронных систем измерения положения элементов космических телескопов, а также разработка принципов построения указанных систем, методов расчёта параметров и характеристик их компонентов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать оптико-электронные системы метрологического обеспечения действующих и проектируемых телескопов, выявить их элементы и структуры, перспективные в плане расширения метрологических свойств и повышения точности измерений.

разработать принципы построения отражательных систем, позволяющих выполнять трёхкоординатные угловые измерения;

- исследовать варианты структуры построения каналов измерения угловых и линейных перемещений и оптимизировать соотношения между параметрами их компонентов и алгоритмы измерения по критерию упрощения структуры и уменьшения погрешности;

- разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели для исследования отражателей и измерительных каналов оптико-электронных систем измерения угловых и линейных;

- на основе компьютерных моделей выполнить исследования соотношений

между параметрами элементов оптико-электронной системы и ее

8

метрологическими параметрами (диапазон измерения, рабочая дистанция, точность), а также проанализировать влияние основных составляющих погрешности измерения;

- исследовать методы обработки изображений автоколлимационных марок в плоскости анализа по критериями уменьшения погрешности их измерения координат в плоскости анализа;

- проверить правильность полученных теоретических положений и алгоритмов моделирования экспериментальными исследованиями на реализованных макетах отражателей и измерительных каналов оптико-электронных автоколлимационных систем измерения угловых и линейных перемещений.

Методы исследования. Для теоретического анализа применяются соотношения геометрической оптики, а также разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительных автоколлимационных систем.

В экспериментальной области используются детерминированные и имитационные компьютерные модели функциональных элементов измерительных каналов и элементов автоколллимационных систем. Также используется физические модели (макеты), реализующие основные компоненты и алгоритмы функционирования оптико-электронных систем.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту. 1. Принципы построения отражателя с внутренней автоколлимацией для выполнения трёхкоординатных измерений при использовании которого реализуется как измерение угла скручивания, так и измерение коллимационных углов с высокой чувствительностью, в соответствии с которыми:

- отражатель по первому варианту представляет собой равнобедренную стеклянную призму с двумя отражающими боковыми гранями и противолежащей третьей преломляющей входной гранью, в которой падающий пучок в результате нечётного количества последовательных отражений от боковых граней изменяет

(

направление на обратное, при этом двугранный угол между отражающими гранями равен \|/ = (т1±А)/к, где Д - малый угол, к = 3,5,7...;

- отражатель по второму варианту представляет собой стеклянную правильную четырёхугольную пирамиду, образованную в результате пересечения двух ортогонально расположенных призменных отражателей первого варианта, угол между отражающими гранями которых \}/ = (ти±Д)/3 , где А - малый угол.

2. Принципы построения четырёхкоординатной автоколлимационной оптико-электронной системы измерения линейных перемещений (по двум осям) и угловых поворотов (относительно двух осей), позволяющие упростить структуру измерительной системы, в соответствии с которыми каналы измерения линейных и угловых измерений выполнены с общим объективом и двумя несовпадающими осесимметричными плоскостями анализа, в которых обрабатываются изображения марок: апертуры объектива при измерении угловых поворотов и апертуры отражателя - плоского зеркала при измерении линейных перемещений.

3. Доказано, что в результате использования разработанной процедуры определения положения оси симметрии некруглого изображения марки в плоскости анализа автоколлимационной системы с помощью двухкоординатного барицентрированиям с последующей аппроксимацией по узловым точкам возможно измерение как коллимационного угла по величине смещения изображения, так и угла скручивания - по повороту изображения.

4. Показано, что при использовании систем управления накоплением заряда в матричных анализаторах на основе ПЗС оптимальным по критериям минимизации погрешности и увеличения быстродействия является определение координат малоразмерного изображения по методу медиан.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что: - получены проектные методики расчета параметров отражателя с внутренней автоколлимацией для трёхкоординатных угловых измерений и оптических элементов четырёхкоординатных систем измерения линейных и угловых перемещений;

- спроектирован и реализован экспериментальный образец отражателя для

10

трёхкоординатных угловых измерений с внутренней автоколлимацией в варианте стеклянной пирамиды, практические исследования которого подтвердили возможность измерения угла скручивания наряду с сохранением высокой чувствительности к коллимационным углам;

- спроектирован и реализован макет четырёхкоординатной системы измерения линейных и угловых перемещений, эксперименты с которым подтвердили правильность полученных методик расчета параметров элементов;

- разработаны методы и алгоритмы обработки изображений автоколлимационных марок на матричном анализаторе, позволяющие определить координаты центр и поворот изображения, а также измерить координаты крупноразмерных изображений, эффективность которых была подтверждена экспериментами на созданном стенде;

- создан комплекс компьютерных моделей: функционирования отражателя с внутренней автоколлимацией в составе трёхкоординатной углоизмерительной; четырёхккоординатной системы измерения линейных и угловых перемещений; процессов обработки изображений различной формы на матричных анализаторах, позволяющие оценить влияние систематических и шумовых составляющих погрешности на суммарную погрешность измерения.

Диссертация включает Введение, четыре Главы и Заключение.

Диссертация выполнена на кафедре Оптико-электронных приборов и Систем Санкт-Петербургского Национального Исследовательского Университета Информационных технологий, Механики и Оптики (Университета ИТМО).

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ ОБЪЕКТИВОВ И СЛУЖЕБНЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛЕСКОПОВ

1.1. Обзор существующих оптических схем объективов космических

телескопов

Оптические схемы объективов космических телескопов можно условно разделить на три обширные группы в зависимости от характера элементов, входящих в их конструкцию: линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые.

Весомым недостатком линзовых объективов принято считать сложности, возникающие при изготовлении высококачественных объективов больших диаметров из-за резкого увеличения массы объективов и сложностей, возникающих в процессах разработки и изготовления таких объективов, и, как следствие, удорожание производства объективов. [1,2,4]

Телескопы такого вида трудно скорректировать на среднеквадратичное отклонение волнового фронта менее, чем до 0,15-^-0,20Х.. [6,7]

Линзовые объективы в настоящее время практически не используются при создании телескопов космического базирования и по этой причине не будут далее рассматриваться.

1.1.1. Зеркальные объективы телескопов

В конструкции зеркальных телескопов основную роль, как следует из названия этой группы объективов, выполняют зеркала сложной формы.

Одним из самых популярных зеркальных телескопов является телескоп, построенный по схеме, предложенной в 17 веке, Исааком Ньютоном (рисунок. 1.1).

Рисунок 1.1. Схема Ньютона

В схеме Ньютона в качестве главного зеркала была использована сферическая поверхность, плоское зеркало предназначалось для излома оптической оси объектива и уменьшения его габаритов.

В телескопах данной группы главное зеркало, как элемент оптической системы объектива, изготавливается в виде пластины вогнутой параболической или сферической формы, на первую поверхность которой нанесено отражающее покрытие [5-9].

Для устранения влияния аберраций используют асферические поверхности (такие как параболические, в более сложных случаях гиперболические и эллиптические), которые, как известно, обладают рядом апланатических точек, использование которых позволяет получить изображение заданного качества.

На несколько лет позже И.Ньютона Джеймс Грегори предложил модифицированную конструкцию зеркального объектива телескопа (рисунок 1.2). В системе Грегори лучи от главного вогнутого параболического зеркала направляются на небольшое вогнутое эллиптическое зеркало, которое отражает их в окуляр, помещённый в центральном отверстии главного зеркала. В схеме рефлектора Грегори эллиптическое зеркало располагается за фокусом главного зеркала телескопа, и формируется прямое изображение, в отличие от схемы Ньютона с перевернутым изображением. Использование в схеме вторичного зеркала позволяет увеличить фокусное расстояние и, следовательно, позволяет использовать большие увеличения.

Рисунок 1.2. Схема Грегори

В 1672 году Лорен Кассегрен предложил свой вариант двухзеркального объектива телескопа (рисунок 1.3). Главное зеркало большего диаметра вогнутое (в оригинальном варианте параболическое) отбрасывает лучи на вторичное выпуклое меньшего диаметра (обычно гиперболическое). По классификации Максутова схема относится к, так называемым, предфокальным удлиняющим — то есть вторичное зеркало расположено между главным зеркалом и его фокусом, и полное фокусное расстояние объектива больше, чем у главного. Объектив при том же диаметре и фокусном расстоянии имеет почти вдвое меньшую длину трубы и несколько меньшее экранирование, чем у Грегори. Система неапланатична, то есть несвободна от аберрации комы. Имеет большое число как зеркальных модификаций, включая апланатичный Ричи-Кретьен, со сферической формой поверхности вторичного (Долл-Кирхем) или первичного зеркала, так и зеркально-линзовых [5-9].

Рисунок 1.3. Схема Кассегрена

Отдельно стоит выделить систему Кассегрена, модифицированную советским оптиком Д. Д. Максутовым — систему Максутова-Кассегрена, с применением коррекционного мениска и относящуюся к группе зеркально-линзовых телескопов.

Последнее время в зеркальных телескопах широкое применение получила система Ричи — Кретьена (рисунок 1.4), представляющая собой улучшенный вариант системы Кассегрена. В этой системе главное зеркало — вогнутое гиперболическое, а вспомогательное — выпуклое гиперболическое. Окуляр установлен в центральном отверстии главного зеркала.

Рисунок 1.4. Схема Ричи-Кретьена

В дальнейшем рассмотренные базовые схемы зеркальных объективов усложнялись введением корректирующих элементов, направленных на коррекцию аберраций различного характера [5-9].

1.1.2. Достоинства и недостатки зеркальных объективов

Зеркальные объективы телескопов обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с линзовыми или зеркально-линзовыми. В первую очередь, следует отметить следующие:

• возможность работы в широкой области спектра (от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной);

• отсутствие хроматических аберраций;

• потенциальная возможность увеличения входной апертуры;

• сокращение габаритов, что обусловлено выбором схемного решения, а также рациональным применением плоских «ломающих» зеркал;

• упрощение процесса изготовления объектива, т.к. уменьшается количество поверхностей, нуждающихся в полировке и нанесении дополнительных покрытий;

• уменьшение массы за счет снижения количества оптических элементов и использования облегченных конструкций зеркал;

• возможность использования внутренних элементов схемы для сканирования по полю.

В качестве недостатков зеркальных объективов можно отметить сложность юстировки оптической системы объектива и чувствительность к вибрациям и колебаниям (например, к порывам ветра). Но отмеченный недостаток может быть достаточно просто скомпенсирован установкой дополнительной юстировочной системы и разработкой простой схемы юстировки зеркал, входящих в состав объектива.

Так же необходимо отметить, что присутствие в схеме зеркального объектива вторичного зеркала приводит к экранированию поля.

1.1.3. Классификация зеркальных объективов

Как показал анализ основных достоинств и недостатков базовых схем объективов телескопов, для объективов космических телескопов, работающих за пределами атмосферы Земли, наиболее целесообразно использовать схемы, построенные на использовании зеркальных объективов. Рассмотрим их более подробно.

В общем случае современные зеркальные объективы, построенные на основе базовых схем, состоят из трех основных элементов: главного зеркала, вторичного зеркала, корректора полевых аберраций.

В связи с многообразием решаемых задач и, соответственно, различием в требованиях к оптическим характеристикам объективов зеркальные системы объективов можно классифицировать по типу схемных решений и оптическим параметрам.

По схемным решениям рассматриваемые зеркальные объективы условно делятся на три группы: центрированные, условно децентрированные, децентрированные.

В первых двух группах центры оптических поверхностей расположены на единой оси, что значительно позволяет повысить технологичность сборки и облегчить юстировку системы.

В условно децентрированных системах используется прием децентрировки входного зрачка и (или) работа внеосевым полем. Следствием децентрировки является использование внеосевых частей зеркал.

К группе децентрированных систем относятся те, в которых центры вращения оптических поверхностей не лежат на одной прямой.

Существенной характеристикой для зеркальной системы является степень экранирования входного зрачка. Для первой группы схем обязательно наличие центрального экранирования зрачка. Благодаря децентрировке зрачка, поля или центров вращения оптических поверхностей удается значительно уменьшить экранирование или исключить его совсем.

Необходимо также отметить, что особенностями большинства космических телескопов являются малые относительные отверстия (1:10 -г 1:20) и малое угловое поле в пространстве предметов, порядка 2со< 2 -ь 3

Известные оптические схемы, построенные по этому принципу: схема Ричи-Кретьена с линзовым корректором, схема Корша с асферическим однозеркальным корректором, схемы с двухзеркальными корректорами и другие.

Малые угловые поля в пространстве предметов позволяют строить такие схемы осевыми и центрированными. Максимальное угловое поле в пространстве предметов (2сотах), реализуемое в таких системах, не превышает значений:

2сотах £ аг^ (е-Б / Г),

где в— коэффициент центрального экранирования; Б — диаметр главного зеркала; Г - фокусное расстояние.

При е < 0,4, и Ш я 0,05 - 0,1, 2сотах <3°.

Для увеличения углового поля целесообразно перейти к так называемым условно децентрированным системам, например, при использовании внеосевого поля. В таких системах отсутствует центральное экранирование. На их базе

возможно построение длиннофокусных светосильных широкоугольных

объективов с качеством изображения на плоской поверхности близким к

<

дифракционному в видимой и ближней ИК-области спектра [8,9].

1.1.4. Зарубежный опыт использования зеркальных объективов для космических телескопов

При рассмотрении зарубежных космических аппаратов, предназначенных для дистанционного зондирования поверхности Земли и решающих задачи картографирования, необходимо отметить аппараты Cartosat-1, запущенный Индией в 2005 году, ALOS, запущенный Японией в 2006 году и камера HRS, установленная на борту французского спутника SPOT 5.

Обозначенные системы обеспечивают не только обзорную, но и стереоскопическую съемку непрерывных маршрутов. Первые два аппарата построены на использовании трехзеркальных объективов, выполненных по схеме Кука. Камера HRS имеет линзовые объективы [5].

Следует также особо отметить японский аппарат ALOS, в составе которого, кроме двух идентичных объективов, образующих стереопару, предусмотрен объектив, обеспечивающий одновременно со стереосъемкой съемку в надир. Такое усовершенствование стандартной конструкции стереобъектива позволяет получать стереотриплеты (три изображения одного и того же участка поверхности Земли под разными углами наклона) с общей шириной полосы захвата 35 км [5].

Трехзеркальная схема Кука используется и в некоторых других однообъективных оптико-электронных космических камерах, таких как, Topsat (Великобритания), многоспектральный прибор ALI спутника ЕО-1 (США) [8,9].

Особенно удачно использование схемы Кука в тех случаях, когда ставится задача обеспечения большой ширины полосы захвата.

Характеристики зарубежных оптико-электронных камер дистанционного зондирования земли, используемых в интересах картографирования, представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Характеристики зарубежных оптико-электронных камер

Характеристики Название аппарата, страна изготовитель

Cartosat-1 Индия АЬОБ Япония HRS Франция Topsat Англия

Высота орбиты, км 618 692 — 686

Ширина полосы захвата, км 30/27 35/70 120 15 вПХ, 10 в МС

Вид съёмки Стерео Стерео Стерео Обзорная

Число объективов 2 3 2 1

Углы конвергенции, град. + 26,-5 + 24, 0, -24 + 20,-20 0

Оптическая схема объектива Триплет Кука Триплет Кука Линзовая Триплет Кука

Фокусное расстояние, мм 1945 2000 580 1680

Длина рабочей строки, пиксели 12000 14000 12000 6000 ПХ

Спектральные каналы наблюдения (0,5 - 0,85) (0,52-0,77) (0,49 -0,69) (0,5 - 07); (0,4 - 0,5, 0,5 - 0,6, 0,6-0,7)

Размер пикселя, мкм 7x7 7x7 6,5х 6,5 7x7

Число уровней квантования, бит 10 8 — —

Пространственное разрешение, м 2,5 2,5 5 2,5

Масса КА, кг 1560 4000 (с радаром и радиометром) 90 (камера) 115 (камера 32)

Анализ приведённых характеристик зарубежных стереоскопических спутников для дистанционного зондирования поверхности Земли показывает, что использование зеркального триплета Кука в качестве объектива космического аппарата, безусловно обеспечивает решение топогеодезических и картографических задач на современном уровне и является наиболее эффективным для увеличения углового поля при неизменно малых аберрациях.

1.1.5. Зеркальный триплет Кука 1.1.5.1. Принципиальная схема триплета Кука

Данная система представляет собой центрированную систему, в которой центры кривизны всех трёх зеркал расположены на одной оптической оси, но рабочими пучками системы являются внеосевые пучки с использованием внеосевых участков главного зеркала и третьего зеркала (компенсатора), которые имеют прямоугольную форму рабочих световых зон. Вторичное зеркало имеет круглую форму своей рабочей световой зоны и играет роль апертурной диафрагмы. Его ось симметрии является оптической осью системы.

В связи с наличием в схеме Кука внецентренных главного зеркала и третьего зеркала рабочий участок плоскости изображения (линейное поле в пространстве изображений) смещён с оптической оси. Поэтому в расчётной системе координат фоточувствительные зоны ОЭП значительно смещены относительно оптической оси.

Принципиальная схема триплета Кука изображена на рисунке 1.5.

В отличие от классических схем, триплет Кука кроме четырёх аберраций: сферической, комы, астигматизма и кривизны изображения должен обеспечить коррекцию дисторсии. Таким образом, в этой схеме необходимо исправить пять аберраций, а также обеспечить требуемые значения фокусного расстояния и заднего отрезка, для чего необходимы семь параметров оптической системы. Такими параметрами являются: три радиуса кривизны рабочих поверхностей зеркал, два эксцентриситета поверхностей и два воздушных промежутка между главным и вторичным зеркалами, вторичным и третьим зеркалами. Следовательно, два зеркала из трёх, должны быть асферическими. Учитывая, что из внеосевых главного и третьего зеркал наиболее удалено от оптической оси третье зеркало, его целесообразно выполнить сферическим, а вторичное и главное зеркала - асферическими [1,2].

зеркало; 3 - внеосевое асферическое зеркало; 8' — рабочее расстояние до изображения, мм; с1 — расстояние между зеркалами, мм; \\%1т - минимальный

угол наклона внеосевого пучка лучей 1.1.5.2. Достоинства и недостатки триплета Кука

Схема, построенная в виде триплета Кука, обладает следующими

преимуществами:

• отсутствие центрального экранирования обеспечивает более высокую функцию передачи модуляции, чем в схемах с экраном при одинаковом относительном отверстии;

• будучи чисто зеркальной, эта схема не обладает хроматизмом и имеет единую фокальную плоскость для излучения широкого спектрального диапазона (от УФ до ИК);

• схема Кука может иметь весьма большое угловое поле в пространстве предметов (больше 6°) с высоким и равномерным по полю качеством изображений;

• схема Кука обладает более слабым, чем другие схемы, ухудшением характеристик качества из-за смещений и разворотов оптических элементов относительно их номинального положения, что позволяет обеспечить её стабильность более простыми средствами.

К недостаткам схемы Кука можно отнести следующее:

• наличие в схеме внецентренного асферического зеркала вызывает технологические трудности при изготовлении и юстировке объектива;

• относительная длина объектива (отношение длины объектива вдоль оптической оси к фокусному расстоянию) велика (~ 0,5 -г- 0,6);

• внецентренное положение главного и третьего зеркал вызывает необходимость увеличения габаритного размера объектива в поперечном направлении;

• размеры главного зеркала превышают размеры входного зрачка из-за его удалённости.

Однако, отмеченные недостатки не снижают практическую ценность использования данной схемы в качестве объектива космического телескопа.

1.1.5.3. Основные параметры объектива Кука

В качестве примера оптической системы зеркального объектива можно рассмотреть объектив Кука, применяемый в составе крупного отечественного оптико-электронного комплекса "Карат". Основные параметры объектива, построенного по схеме Кука, приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Параметры объектива

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБОЗНАЧЕНИЕ ЗНАЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Диаметр входного зрачка, мм В 390

Угловое поле в пространстве предметов, град. 2(3 6

Линейное поле в пространстве изображений с требуемыми характеристиками качества, мм 2Z'max 410

2Утах 102,5

Размеры полевой диафрагмы, мм 2ЪZ 432

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Молев, Федор Владимирович, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гайворонский C.B., Зверев В.А Анализ коррекционных параметров оптической системы из трех отражающих поверхностей. «Приборостроение», 2012, №3, С.42-47.

2. Грамматин А.П., Сычева A.A. Трехзеркальный телескоп без экранирования. - Оптический журнал. Том 77, №1. 2010. С.24-27

3. Данилов В.А., Никифоров В.О., Сокольский М.Н., Аронов A.M., Савицкий A.M. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования Земли. Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Особенности развития космической отрасли России и перспективы её дальнейшей интеграции в систему международных экономических связей». Санкт-Петербург, 2007, С.93.

4. Данилов В.А., Путилов И.Е., Савицкий A.M., Сокольский М.Н., Лысенко А.И., Петров Ю.Н. Трёхзеркальная оптическая система без экранирования. Патент № 82876. 10 мая 2009. Бюллетень №13.

5. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. — М.-Л.: Наука, 1979. -395с.

6. Максутов Д.Д. Анаберрационные отражающие поверхности и системы и новые способы их испытания. - Л.: ГОИ, 1932. - 120с.

7. Максутов Д.Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. - М.: Наука, 1984. - 272с.

8. Михельсон H.H. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. - М.: Физматлит, 1995. - 333с.

9. Попов Г.М. Современная астрономическая оптика. - М.: Наука, 1988. -192с.

Ю.Герловин Б.Я. Датчик контроля фокусировки и юстировки для телескопов. Оптический журнал. 1996, №8. С. 48-50.

П.Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и оптико-

электронные угломеры: Справочник. - М.: Недра, 1991. - 224 с.

138

12.Коротаев В.В., Краснящих A.B. Телевизионные измерительные системы. Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 108 с.

И.Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576с.

М.Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: Пер. с англ.-М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.-992с.

15.История создания цифровой фотографии [Электронный ресурс]: <http://www.litedigit.ru/up_menu/theory/ist_foto>.

16.Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы [Электронный ресурс] :<http://st.ess.ru/publications/articles/nikulin2/nikulin.htm>.

17.Тенденции в цифровой фотографии. Ч. 3 (ПЗС-матрицы) [Электронный ресурс]: <http://www.3dnews.ru/guide/photo-matrix/>.

18ЛХВТ. Твердотельные сенсоры изображения: как получается цвет [Электронный ресурс]: <http://www.ixbt.com/digimage/sens.shtml>.

19.Homepage of Alexey Lukin [Электронный ресурс]: <http://audio.rightmark.org/lukin/graphics/demosaicing.rus.htm>.

20.Вагнер Е.Т. Лазерные и оптические методы контроля в самолетостроении / Е.Т. Вагнер, A.A. Митрофанов, В.Н. Барков. М.: Машиностроение, 1977. 175 с.

21.Acharya Т., Tsai S. Computational Foundations of Image Interpolation Algorithms [Электронный ресурс]:

<http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1317488&coll=portal&dl=ACM>.

22.Ежова K.B. Разложение фотограмметрической дисторсии по ортогональным полиномам Цернике // Оптический журнал. - Санкт-Петербург, 2012. - Т. 79, вып. 5. - С. 53-56.

23.Шишаков К.В., Загидуллин И.Р. Моделирование оптических элементов в программе ZEMAX : практикум для учебных курсов «Прикладная оптика» и «Оптические устройства в радиотехнике». -

Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2008. - 64 с.

139

24. Расчет оптических систем в программных пакетах Zemax, Code V и OSLO / К. А. Акмаров, М. А. Глухов, А. Г. Максимов, Е. А. Шипулин, К. В. Шишаков // Электронное издание каф. «Радиотехника» ИжГТУ, 2007 г. // http://www.istu.rU/files/material-static/l 148/pdf.

25.Руководство Пользователя. Электронное издание. Версия 9.0 http://optdesign.narod.ru/zemax/zemax_rus.pdf

26.Митрофанов A.A. Контроль сборки летательных аппаратов.-М.: Машиностроение, 1989. 208 с.

27.Высокоточные угловые измерения / Д.А. Аникст, K.M. Константинович, И.В. Меськин и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова.- М.: Машиностроение, 1987. - 480 с.

28.Малинин В.В. Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами. — Новосибирск: Наука, 2005. —256 с.

29.Гарбук C.B., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли.-М.: А и Б, 1997.-296 с.

30.Координатно-измерительные машины и комплексы. А.И. Пекарш, С.И. Феоктистов, Д.Г. Колыхалов, В.И. Шпорт. Наука и технологии в промышленности. №3. 2011. С.36-48.

31.Артеменко Ю.Н., Коняхин И.А., Молев Ф.В., Жуков Д.В. Оптико-электронная система измерения углового положения отражающих элементов оптико-радио-телескопа "Миллиметрон". Вопросы радиоэлектроники. 2012. Т. 1. № 1. С. 96-104.

32.Фисенко М.Г., Ежова К.В. Молев Ф.В., Моделирование зарегистрированного многоэлементными оптическими приемниками изображения. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 55. № 4. С. 73-74.

33.Молев Ф.В., Коняхин И.А. Исследование алгоритмов измерения координат и углов наклона изображения для устройств контроля

положения элементов оптической системы. Вопросы радиоэлектроники. 2013. T. l.№ 1. С. 105-115.

34.Ezhova К., Konyakhin I., Molev F. Determination of parameters and research autoreflection scheme to measurement errors relative position of the optical elements of the Space Telescope. Optical Modelling and Design III. Proc. SPIE. - 2014. - Vol. 9131. - P. P.91311V-1 - 91311V-8.

35.Алымов O.B., Костюнина O.M., Молев Ф.В., Сень И.Ю., Стерлядкин O.K. Радиационностойкий матричный ФППЗ для прикладных телевизионных систем. Техника средств связи. Серия: Техника телевидения. 2011. № 1. С. 73-77.

36.Коняхин И.А. Молев Ф.В., Исследование алгоритмов измерения координат изображения на матричном анализаторе. Альманах научных работ молодых ученых. — СПб: НИУ ИТМО, 2012. - С.163-166

37.Коняхин И.А. Молев Ф.В., Исследование алгоритмов измерения координат и углов наклона изображения для устройств контроля положения элементов оптической системы. Сборник трудов X Международной конференции «Прикладная оптика — 2012». Том 1. -Санкт-Петербург, 2012. С.21

38.Igor A. Konyakhin, Fedor V. Molev, Alexey Konyakhin, Renpu Li Optic-electronic autocollimator for deformations inspection of the axle at the millimeter wave range radiotélescope

39.A.K. Цыцулин. Телевидение и космос. СПб., 2003.

40.Г.А. Аванесов, C.B. Воронков, А.А. Форш, М.И. Куделин. Звездные координаты систем ориентации космических аппаратов. Известия вузов. Приборостроение. 2003. Вып. 4.

41.Костюнина О.М., Молев Ф.В. Фабричев A.JI. Высокочувствительные

фотоприемные устройства на основе ФППЗ для применения в

астроприборах ориентации и навигации КА. Материалы VII научно-

технической конференции "Системы наблюдения, мониторинга и

141

дистанционного зондирования земли", Адлер, 13-17 сент.2010 г., С.271.

42.Бондаренко И.Д. Принципы построения фотоэлектрических автоколлиматоров. - Минск: Изд-во Университетское, 1984 г.- 190 с.

43.Лебедев И.В. О некоторых свойствах систем плоских зеркал // Труды института физики и математики АН БССР - Вып. 1- Минск: АН БССР. -1956.-С.125-151.

44.Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. -Л: Машиностроение, 1982, -128 с.

45.Лурье А.И. Аналитическая механика- М.:Издательство физико-математической литературы, 1961.

46.Тудоровский А.И. Теория оптических приборов.М.-Л. Изд-во АН СССР,1938.

47.Грейм И.А. Зеркально-призменные системы. -М.: Машиностроение, 1981. -125с. (Библиотека приборостроителя)

48.Коняхин И.А, Панков Э.Д. Контрольные элементы оптических и оптико-электронных угломеров. Известия ВУЗов — Приборостроение, 1985. № 10, с. 62-68. ч. 1; 1986. № 2, с. 75-85. ч. 2.

49.Тимофеев А.Н., Коняхин А.И., Молев Ф.В. Синтез отражателей для трехкоординатных автоколлиматоров с совмещенным матричным полем//Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 11. С. 21-25.

50.Коняхин, А.Н. Джабиев, И.А. Коняхин, Э.Д.Панков. Автоколлимационные углоизмерительные редства мониторинга деформаций.- СПб:СПбГИТМО(ТУ), 2000. - 197 с.

51.Л.В. Пинаев. Система из двух прямоугольных зеркал и ее свойства. Оптико-механическая промышленность, 1987, 12, С. 18-20.

52.А.С. 393720 (СССР) ЗЕРКАЛБНО-ПРИЗМЕННАЯ СИСТЕМА /А. В. Спивак и О. С. Власенко, опубл. в Б.И., 1973, №33.

53.Грейм И.А. Оптические дальномеры и высотомеры геометрического типа. М: Недра, 1983

54.A.C. 1753261 (СССР). СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРЯМОГО УГЛА ПРИЗМ ТИПА БР-1807 Ю.В. Елисеев и В.Ф.Иванин; опубл. В Б.И., 1991, №11.

55.С. В. Процко, А.Д.Титов, Б.Ю.Ханох, А.П.Хапалюк. "Автоколлимационные свойства световозвращателей в форме трехгранных углов". Известия ВУЗов "Приборостроение" N 6, 1988 г.

56.Афанасьев В.А., Жилкин A.M., Усов B.C. Автоколлимационные приборы М.: Недра, 1982. -144 с.

57.Березин, А.К. Цыцулин. Обнаружение и оценивание координат изображений точечных объектов в задачах астронавигации и адаптивной оптики. Вестник ТОГУ. 2008. №2 (8).

58.Син Сянмин. Исследование и разработка трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.07 : Санкт-Петербург, 2007, 121с. РГБ ОД, 61:07-5/2558

59.Крайлюк А.Д. Исследование путей расширения диапазона измерения и повышения точности оптико-электронных автоколлиматоров : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.07 : Санкт-Петербург, 2004, 136с. РГБ ОД, 61:04-5/4061