Метод определения углового рассогласования оптических осей приёмного и передающего каналов высокоточных лазерных оптико-электронных комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Пискунов Тарас Сергеевич

• Пискунов Тарас Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Пискунов Тарас Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО РАССОГЛАСОВАНИЯ

1.1. Обзор и анализ функциональных схем приборов параллельного смещения и систем определения углового рассогласования

1.1.1. Обзор существующих приборов параллельного смещения

1.1.2. Разработка метода определения углового рассогласования и функциональной схемы системы для его реализации

1.1.3. Введение основных характеристик системы определения углового рассогласования

1.1.4. Анализ и разработка функциональных схем зеркально-призменного блока системы определения углового рассогласования

1.2. Разработка зеркально-призменного блока на основе пентапризм

1.2.1. Разработка математической модели хода лучей в зеркально-призменном блоке на основе пентапризм

1.2.2. Анализ погрешности регистрации, возникающей в блоке определения угловых координат

1.2.3. Анализ разработанной математической модели на наличие методической составляющей погрешности системы определения углового рассогласования

Выводы по Главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ОБЩЕЙ ПОГРЕШНОСТИ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО

РАССОГЛАСОВАНИЯ

2.1. Разработка методики анализа влияния погрешности изготовления призм на погрешность системы определения углового рассогласования

Стр.

2.1.1. Исследование изменения пространственного положения оси

пучка излучения неидеальной пентапризмой

2.1.2. Анализ технологической составляющей погрешности системы определения углового рассогласования с неидеальными пентапризмами

2.2. Разработка методики анализа влияния внешних механических воздействий на работу системы определения углового рассогласования

2.2.1. Влияние внешних механических воздействий на вероятность потери сигнала блоком определения угловых координат

2.2.2. Анализ вибрационной составляющей погрешности системы определения углового рассогласования

2.3. Разработка методики точностного анализа системы определения углового рассогласования

2.4. Разработка и создание опытного образца системы определения

углового рассогласования на основе пентапризм

Выводы по Главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО

РАССОГЛАСОВАНИЯ

3.1. Разработка функциональной схемы экспериментальной установки и методики исследования точностных характеристик

3.1.1. Разработка функциональной схемы экспериментальной установки

3.1.2. Разработка эталонного зеркально-призменного блока и обоснование его точностных характеристик

Стр.

3.1.3. Разработка методики экспериментальных исследований погрешности системы определения углового рассогласования на установке

3.1.4. Разработка программно-аппаратного комплекса

экспериментальной установки и алгоритма обработки сигнала

3.2. Разработка конструкции экспериментальной установки и обоснование её технических характеристик

3.3. Экспериментальные исследования опытного образца системы определения углового рассогласования на основе пентапризм

3.3.1. Исследование фактической точности эталонного зеркально-призменного блока

3.3.2. Юстировка экспериментальной установки с помощью эталонного зеркально-призменного блока

3.3.3. Исследование методической составляющей погрешности системы определения углового рассогласования на основе пентапризм

3.3.4. Исследование вибрационной составляющей погрешности системы определения углового рассогласования на основе пентапризм при возмущающих внешних механических воздействиях

Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод определения углового рассогласования оптических осей приёмного и передающего каналов высокоточных лазерных оптико-электронных комплексов»

Введение

Актуальность темы исследования. В настоящее время продолжается активное развитие систем лазерного зондирования пространства. К ним относятся такие лазерные оптико-электронные системы (ЛОЭС), как лазерные локационные станции (ЛЛС), лидары и дальномеры. Они позволяют решать актуальные задачи измерения скорости, дальности и угловых координат объектов, а также изучения химического состава среды [1; 2].

Рассмотрим принцип работы ЛОЭС на примере ЛЛС: передающий канал, включающий в себя рабочий лазер и формирующую оптическую систему, подсвечивает объект, а приёмный канал, состоящий из оптической системы и фотоприёмного блока, регистрирует отражённое излучение. Для работы такой системы требуется согласованность углового положения оптических осей каналов, что, как правило, обеспечивается юстировкой при сборке конструкции на заводе-изготовителе. Требования по точности юстировки в таких случаях не превышают нескольких угловых минут [3].

Перед современными ЛОЭС стоит задача дистанционного мониторинга объектов на значительных расстояниях в условиях наличия внешних механических воздействий и температурных уводов. В качестве примеров таких систем можно привести ЛЛС авиационного базирования, предназначенные для дистанционного зондирования земной поверхности [4; 5], ЛЛС в составе информационных систем для обнаружения и определения координат широкого класса аэрокосмических объектов с борта летательного аппарата [6], ЛЛС для контроля сближения космических аппаратов [7; 8]. Решение этих задач обеспечивается увеличением мощности излучения рабочего лазера и уменьшением его расходимости.

При этом угловые положения оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС могут изменяться случайным образом, вследствие механических

вибраций конструкции. В этих условиях погрешность наведения системы на объект исследования не должна превышать единицы угловых секунд [3; 9].

Такая погрешность должна обеспечиваться согласованием угловых положений оптических осей каналов с помощью системы автоматической юстировки.

Механизм работы системы автоматической юстировки можно описать следующим образом [10]. В системах с инфракрасным рабочим лазером, мощностью более нескольких КВт, используется дополнительный опорный лазер видимого диапазона, положение оси пучка излучения которого жёстко связано с оптической осью передающего канала [11]. Пучок излучения опорного лазера параллельно смещается с помощью инвариантной оптической системы, например, уголкового отражателя, и попадает в оптическую систему приёмного канала [12; 13]. Под пространственной инвариантностью оптической системы понимается нечувствительность создаваемого ею изображения к изменению пространственного положения одного или нескольких оптических элементов этой системы [68]. В приёмном канале установлен оптико-электронный блок, определяющий угловые координаты пучка излучения опорного лазера для вычисления углового рассогласования осей каналов ЛОЭС, которое компенсируется оптическими элементами приёмного или передающего каналов.

Конечно, при отводе части пучка лазерного излучения в измерениях его угловых координат будет присутствовать погрешность, вызванная наклоном волнового фронта [69]. Однако, как правило, излучение рабочего лазера имеет кольцевую апертуру, что позволяет расположить опорный лазер в центре кольца, где излучение рабочего лазера отсутствует. При этом в приёмный канал отводится всё излучение опорного лазера и в таком случае математическое ожидание угловых координат оси пучка будет равно нулю, а другие погрешности, связанные с наклоном волнового фронта, будут пренебрежимо малы по сравнению с требуемыми погрешностями согласования приёмного и передающего каналов ЛОЭС (0,5.. 1 угл.сек.).

Конструкция современных высокоточных ЛОЭС в процессе работы подвергается воздействию внешних механических вибраций, которые чаще всего имеют характер гармонических колебаний. Расстояние между оптическими осями каналов системы составляет от 500 мм до 2000 мм. Практически невозможно создать уголковые отражатели таких габаритов, а системы с разнесёнными оптическими компонентами не будут обладать инвариантностью при вибрациях. Эти факторы усложняют задачу обеспечения системы автоматической юстировки информацией об относительном положении оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС.

Поэтому систему автоматической юстировки необходимо дополнить оптико-электронной системой определения углового рассогласования (СОР) оптических осей приёмного и передающего каналов. Эта система должна осуществлять параллельное смещение пучка излучения опорного лазера и определять угловые координаты смещённого пучка в системе координат, связанной с приёмным каналом. При этом вся система в целом должна обладать пространственной инвариантностью, а погрешность измерений не должна превышать 1 угл.сек., поскольку от неё зависит точность работы ЛОЭС. Решение задач параллельного смещения и определения угловых координат одной системой позволяет преодолеть сложности, возникающие перед отдельными узлами системы автоматической юстировки.

Значительный вклад в исследование систем, обеспечивающих определение углового рассогласования оптических осей каналов ЛОЭС, внесли русские учёные, в том числе Мейтин В.А., Федосеев В.И., Колосов М.П., Барышников Н.В., Сухопаров С.А., Тимощук И.Н. Среди зарубежных учёных следует отметить Bleier Z., Lipkins M., Proteep C.V. Mallik. Работы в данном направлении ведутся в НПО «Алмаз», Красногорском заводе им. С.А. Зверева, КБточмаш им. А.Э. Нудельмана, НПК «Системы прецизионного приборостроения», ОКБ «Гранат» им. В.К. Орлова и в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

К настоящему времени решены вопросы определения углового рассогласования осей каналов, расстояние между которыми не превышает 200 мм, с погрешностью, не превышающей единицы угловых секунд. Созданы ЛОЭС, в составе которых используются инвариантные оптические системы на основе уголковых отражателей и ромб-призм [10; 11].

Остаётся нерешённой задача определения углового рассогласования в ЛОЭС с расстоянием между осями каналов от 500 мм до 2000 мм, подвергающейся воздействию температурных изменений и внешних механических вибраций [12]. При создании инвариантных оптических систем таких габаритов также не решены проблемы экранирования оптических элементов от излучения рабочего лазера. Эти обстоятельства делают тему диссертации актуальной.

Целью работы является разработка метода для определения углового рассогласования оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции и разработка устройства для его реализации.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

- предложен критерий оптимальности оптической схемы блока параллельного смещения пучка лазерного излучения для СОР;

- разработана функциональная схема СОР на основе двух пар пентапризм, позволяющая осуществлять определение величины углового рассогласования оптических осей каналов в высокоточных ЛОЭС, работающих в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции с постоянным среднеквадратическим значением амплитуды;

- разработана математическая модель хода лучей в СОР на основе двух пар пентапризм, позволяющая обосновать пространственную инвариантность системы в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции с постоянным среднеквадратическим значением амплитуды;

- разработана методика теоретического анализа погрешности СОР, позволяющая определить требования к СОР для осуществления определения угловых координат с погрешностью, не превышающей 1 угл.сек.;

- подтверждена справедливость основных теоретических положений диссертации путём экспериментальных исследований опытного образца СОР на основе пентапризм.

Объектом исследования является лазерная оптико-электронная система, работающая в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции с постоянным среднеквадратическим значением амплитуды и постоянной частотой.

Предметом исследования является методика минимизации погрешности определения взаимного углового положения оптических осей каналов ЛОЭС.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы геометрической оптики, аналитической геометрии, теории вероятностей и математической статистики, теории оптических систем и цифровой обработки сигналов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- показана возможность обеспечения высокоточного согласования угловых положений оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС, расстояние между которыми превышает десятки сантиметров, в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции, за счёт решения задач параллельного смещения пучка излучения опорного лазера и определения его угловых координат с помощью единой системы (СОР);

- разработана методика точностного анализа СОР, основанная на математической модели хода лучей в СОР на основе двух пар пентапризм, позволяющая вычислить погрешность определения углового рассогласования оптических осей каналов ЛОЭС;

- предложена новая функциональная схема эталонного зеркально-призменного блока, являющегося юстируемым разнесённым в пространстве

уголковым отражателем, позволяющая обеспечить экспериментальное измерение погрешности СОР с ошибкой, не превышающей 0,4 угл.сек.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- метод, основанный на решении задач параллельного смещения пучка излучения опорного лазера и определения его угловых координат с помощью единой системы (СОР) позволяет определять угловое рассогласование оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции;

- математическая модель хода лучей в зеркально-призменном блоке СОР, учитывающая влияние вынужденных гармонических колебаний конструкции с постоянным среднеквадратическим значением амплитуды, позволяет вычислить погрешность определения углового рассогласования;

- методика юстировки эталонного зеркально-призменного блока СОР, основанная на контроле взаимного положения граней призм по отражённым автоколлимационным бликам, позволяет обеспечить пространственную инвариантность оптической системы этого блока.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость. Приведены структура диссертации, формы апробации и реализации результатов.

В первой главе предложена функциональная схема СОР и проведён сравнительный анализ существующих схем зеркально-призменного блока. Предложен критерий оптимальности оптической схемы зеркально-призменного блока для СОР. Разработана функциональная схема СОР на основе пентапризм, создана математическая модель хода лучей в его зеркально-призменном блоке и проведён анализ погрешности регистрации и методической составляющей погрешности СОР. Показано, что анализ этих составляющих необходимо проводить на этапе выбора функциональной схемы.

Во второй главе предложена методика и проведён теоретический анализ технологической, юстировочной и вибрационной составляющих погрешности СОР. Показано, что теоретически возможно создать зеркально-призменный блок, в котором влияние перечисленных погрешностей скомпенсировано и сведено к минимальной общей погрешности, не превышающей 1 угл.сек. Разработана методика теоретического анализа общей погрешности СОР, включающей в себя методическую, технологическую, вибрационную и юстировочную составляющие. Создан опытный образец СОР на основе пентапризм

В третьей главе описаны методика и созданная лабораторная установка для исследования точностных характеристик зеркально-призменных блоков СОР. Разработан и создан эталонный зеркально-призменный блок, осуществляющий параллельное смещение в лабораторных условиях на расстояния 150..2000 мм с погрешностью параллельного смещения, не превышающей 0,4 угл.сек. Проведены экспериментальные исследования опытного образца зеркально-призменного блока на основе пентапризм, подтверждающие справедливость основных теоретических положений диссертации.

В общих выводах сформулированы основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод определения углового рассогласования оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС использован в НПО «Алмаз» для обеспечения точностных характеристик современных оптических систем.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Изложенные в работе теоретические и экспериментальные результаты согласуются между собой. Экспериментальные результаты получены на сертифицированном оборудовании. Предложенные модели и сделанные выводы имеют ясную физическую трактовку. Обоснованность результатов работы подтверждается публикациями в журналах, цитированием другими авторами и

результатами обсуждения на конференциях, где докладывались результаты работы.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- на 20-й научно-технической конференции «Современные телевидение и радиоэлектроника». Москва, ФГУП «МКБ Электрон». 20-21 марта 2012;

- на четвёртой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Научные чтения к 105-летию со дня рождения академика А.А. Расплетина». Москва. 26-28 сентября 2013;

- на 21-й научно-технической конференции «Современные телевидение и радиоэлектроника». Москва, ФГУП «МКБ Электрон». 19-20 марта 2013;

- на 22-й научно-технической конференции «Современные телевидение и радиоэлектроника». Москва, ФГУП «МКБ Электрон». 18-19 марта 2014;

- на XXV юбилейной международной конференции «Лазеры в науке, технике, медицине». Москва. 11-15 сентября 2014;

- на пятой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО». Москва. 25-27 сентября 2014;

- на научно-практической конференция «Оптико-электронные комплексы наземного и космического базирования», посвященной 75-летию ОАО ЛЗОС. Москва. 25-26 сентября 2014;

- на седьмой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО». Москва. 26 октября 2017.

Внедрение и использование результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы в ОКР, выполняемой НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ПАО «НПО «Алмаз», получен акт о внедрении.

Публикации результатов. Основные результаты диссертационной работы изложены в 15 научных работах, в том числе, в 7 научных статьях общим объёмом 3,4 п.л., опубликованных в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и общих выводов, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 9 таблиц, список литературы из 75 наименований.

Глава 1. Анализ и разработка функциональных схем систем определения углового рассогласования

1.1. Обзор и анализ функциональных схем приборов параллельного смещения и систем определения углового рассогласования

1.1.1. Обзор существующих приборов параллельного смещения

В области разработки оптических и оптико-электронных приборов и комплексов актуальной является задача дальнейшего развития систем дистанционного лазерного зондирования [1; 2]. Этот класс лазерных оптико-электронных систем (ЛОЭС) представлен такими устройствами, как лазерные локационные станции (ЛЛС), лидары и дальномеры. В рамках современных задач технические характеристики этих систем должны обеспечиваться в жёстких условиях эксплуатации, в том числе в составе комплексов авиационного и космического базирования [4; 6; 9].

Рассмотрим обобщённую функциональную схему современной ЛОЭС на примере ЛЛС (Рис. 1.1) [1; 14]. Лазерное излучение из передающего канала 1, проходя через среду распространения излучения 2, попадает на объект исследования 3. Отражённое излучение регистрируется приёмным каналом 4 и производится измерение его параметров с целью определения тех или иных свойств объекта. Передающий канал включает в себя блок питания и управления лазером 5, рабочий лазер 6 и формирующую оптическую систему 7. Приёмный канал состоит из объектива 8, фотоприёмного устройства 9 и блока обработки сигналов 10.

Одной из основных технических характеристик большинства ЛОЭС является дальность действия L [15; 16]. Для повышения дальности действия необходимо уменьшить расходимость излучения рабочего лазера и увеличить его мощность. При этом рабочее угловое поле приёмного канала 12 должно быть согласовано с угловым полем подсвета 11 ^пр > Sпер). Эта согласованность

достигается благодаря процессу юстировки с помощью юстировочных механизмов 13. При значительном увеличении дальности действия L требования по точности углового согласования каналов могут достигать единиц угловых секунд.

1

Рис. 1.1. Обобщённая функциональная схема современной ЛОЭС: 1 -передающий канал; 2 - среда распространения излучения; 3 -объект исследования; 4 - приёмный канал; 5 - блок питания и управления лазером; 6 - рабочий лазер (ИК); 7 - формирующая оптическая система; 8 - объектив; 9 - фотоприёмное устройство; 10 - блок обработки сигналов; 11 - угловое поле подсвета рабочего лазера; 12 - рабочее угловое поле приёмного канала; 13 - юстировочные механизмы; 14 - блок автоматизированного управления системой

Такая тонкая юстировка приёмного и передающего каналов ЛОЭС не может быть обеспечена на стадиях сборки и юстировки, так как в жёстких условиях эксплуатации, при повышенном уровне механических вибраций и температурных уводов конструкции, неизбежно появление значительного рассогласования каналов.

7-6

Рис. 1.2. Функциональная схема ЛОЭС с параллельными осями и системой автоматической юстировки:

1 - передающий канал; 2 - приёмный канал; 3 - юстировочные механизмы; 4 - блок автоматизированного управления системой; 5 - опорный лазер (видимое излучение); 6 - система ввода излучения; 7 - система определения рассогласования (СОР); 7-а - зеркально-призменный блок СОР; 7-б - блок определения угловых координат

В таком случае в функциональную схему вводится система автоматической юстировки [10; 11]. На практике, дальность L является достаточно большой величиной и оси каналов ЛОЭС располагаются параллельно друг другу. На Рис. 1.2 показана функциональная схема ЛОЭС с параллельными осями и системой автоматической юстировки. Блок автоматизированного управления системой 4 управляет юстировочными механизмами 3 в реальном времени для компенсации углового рассогласования осей каналов. Для осуществления такого управления необходимо визуализировать оптическую ось передающего канала в приёмном, создав контур обратной связи. Это выполняется с помощью введения в передающий канал дополнительного опорного излучателя 5 - маломощного лазера, излучающего в видимом диапазоне.

Ясно, что определение углового положения оптической оси передающего канала является важной задачей, решение которой обеспечивает качество работы системы автоматической юстировки. Для этого в систему необходимо ввести устройство, которое позволит:

- сместить в пространстве оси пучка излучения опорного лазера на заданное расстояние а, сохранив при этом информацию о его угловом направлении в параметрах смещённого пучка;

- ввести смещённый пучок в приёмный канал;

- измерить в приёмном канале с заданной точностью угловые координаты оси смещаемого пучка относительно оси приёмного канала.

В качестве таких устройств могут использоваться нерасстраиваемые приборы, обладающие пространственной инвариантностью, типа оптических шарниров [28]. Под пространственной инвариантностью оптической системы понимается нечувствительность создаваемого ею изображения к изменению пространственного положения одного или нескольких оптических элементов этой системы [68].

В таких приборах используются оптические призмы: уголковый отражатель (УО) (или триппель-призма) или БкР-180° [18; 71]. Для увеличения расстояния смещения УО может быть дополнен ромб-призмами [20]. Существуют также зеркальные устройства, ход лучей в которых аналогичен ходу лучей в призме БкР-180° [21; 22].

Конструкция современных высокоточных ЛОЭС в процессе работы подвергается воздействию внешних механических вибраций, которые чаще всего имеют характер гармонических колебаний [70]. Расстояние между оптическими осями каналов системы составляет от 500 мм до 2000 мм [71]. Практически невозможно создать уголковые отражатели таких габаритов, а системы с разнесёнными оптическими компонентами не будут обладать инвариантностью при вибрациях [68; 74]. Эти факторы усложняют задачу обеспечения системы автоматической юстировки информацией об

относительном положении оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС.

Поэтому для осуществления автоматической юстировки ЛОЭС в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции необходимо найти новое технологическое решение, разработать метод и устройство, позволяющие осуществлять определение углового рассогласования с заданной точностью.

1.1.2. Разработка метода определения углового рассогласования и функциональной схемы системы для его реализации

Метод определения углового рассогласования оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС, расстояние между которыми превышает десятки сантиметров, в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции заключается в решении задач параллельного смещения пучка излучения опорного лазера и определения его угловых координат с помощью единой системы - системы определения углового рассогласования оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС (СОР). Для реализации этого метода необходимо создать СОР с использованием описанных в диссертации функциональных и оптических схем и методик теоретического и экспериментального анализа и минимизации погрешности.

Как следует из задач, поставленных перед СОР, её функциональная схема должна содержать два основных блока: зеркально-призменный блок и блок определения угловых координат. Функциональная схема СОР показана на Рис. 1.3.

Зеркально-призменный блок 1 решает задачу смещения пучка излучения из передающего канала 3 на расстояние а и его ввода в блок определения угловых координат 2. Ориентация компонентов схемы может изменяться произвольным образом в зависимости от величины и характера внешних механических воздействий. Угол во на схеме обозначает угол, при котором рассогласование оптических осей 6, 7 передающего 3 и приёмного 2 каналов отсутствует. При любых отклонениях оси передающего канала относительно приёмного (угол ввх)

блок определения угловых координат 2 должен измерять этот угол и подавать сигнал корректировки в следующие блоки системы автоматической юстировки. Понятно, что блок определяет угол $вых, а не Овх, и поэтому зеркально-призменный блок должен обеспечивать однозначную связь этих углов 0вх = Лбвых).

Рис. 1.3. Функциональная схема СОР, расположенной у выходного окна передающего канала: 1 - зеркально-призменный блок; 2 - блок определения угловых координат, включающий: 2-а -оптическую систему и 2-б - блок обработки; 3 - передающий канал; 4, 5 - пучки излучения на входе и выходе зеркально-призменного блока; 6, 7 - оптические оси входного и выходного пучков; 8 - выходное окно передающего канала; 9, 10 - входное и выходное окна зеркально-призменного блока; 11 - входное окно блока определения угловых координат

Принцип работы зеркально-призменного блока 1 в простейшем случае можно пояснить, основываясь на эффекте световозвращения оптического излучения уголковым отражателем (УО) [12; 13]. В идеальном случае УО является углом куба с тремя взаимно перпендикулярными зеркальными гранями.

Пучок излучения, попавший на одну из граней, отразится от двух других и вернётся в обратном направлении, при этом параллельно сместившись на некоторое расстояние а. Особенность эффекта заключается в том, что отразившийся пучок излучения будет параллельным падающему при любой ориентации УО. Это позволяет однозначно связать измеряемые угловые координаты прошедшего пучка с угловыми координатами пучка на входе, т.е. функция 0вх = Х9вых) не будет зависеть от ориентации УО.

Зеркально-призменный блок 1 может быть построен из некоторой совокупности зеркал и призм, которая, как и УО, удовлетворяет условию параллельного смещения оси пучка излучения и при этом оси пучков 6 и 7 остаются параллельными при изменении ориентации блока или его компонентов.

Принцип работы блока определения угловых координат 2 основан на пересчёте линейных координат пятна излучения, находящегося в фокальной плоскости объектива, в угловые координаты пучка излучения через фокусное расстояние [14; 16].

Видно, что в подобной схеме может быть задействован и зеркально-призменный блок, который осуществляет непараллельное смещение пучка. Тогда СОР будет осуществлять косвенные измерения угла 0вх посредством определения угла 0вых и расчётом рассогласования. В таком случае должна быть известна связь углов 0вх = /(0вых), которая определяется ходом лучей в зеркально-призменном блоке. Тогда, точно определённая, эта связь может быть введена в блок обработки для пересчёта. Таким образом двумя блоками СОР в совокупности будет обеспечен «виртуальное параллельное смещение» и определено угловое рассогласование осей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пискунов Тарас Сергеевич, 2018 год

Список литературы

1. Карасик В.Е., Орлов В.М. Локационные лазерные системы видения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 478 с.

2. Handbook of Laser Technology and Applications, V.III. / C. Webb [et al.]. USA: CRC Press, 2003. 2752 p.

3. Барышников Н.В. Разработка методов и оптико-электронной аппаратуры автоюстировки бортовой локационной станции с мощным источником лазерного излучения: дис. ... докт. техн. наук.: 05.11.07; М. 2012. 340 с.

4. Моноимпульсный локационный метод зондирования природных образований / М.Л. Белов [и др.] // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эл. № ФС 77-48211. 2012. URL: http://old.technomag.edu.ru/doc/482683.html (дата обращения: 10.02.2018).

5. Способ дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на земной поверхности: патент №0002539784 РФ / М.Л. Белов, В.А. Городничев, О.А. Матросова, Ю.В. Федотов; опубл. 2015.

6. Старовойтов Е.И. Исторические аспекты развития и принципы построения бортовых лазерных локационных систем для сближения и стыковки космических аппаратов // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эл. № ФС 77-48211. 2013. URL: http://old.technomag.edu.ru/doc/654681.html (дата обращения: 10.02.2018).

7. Выбор лазеров для увеличения дальности бортовых локационных систем космических аппаратов / Е.И. Старовойтов, [и др.] // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эл. № ФС 77-

48211. 2013. URL: http://old.technomag.edu.ru/doc/609292.html (дата обращения: 10.02.2018).

8. Старовойтов Е.И., Савчук Д.В. Характеристики бортовых лазерных локационных систем и уголковых отражателей для увеличения дальности измерений до 2 000 км при сближении космических аппаратов // Космическая техника и технологии. 2014. № 4 (7). С. 47-53.

9. Червонкин А.П. Оптическая система многоспектральной моноапертурной оптико-локационной станции самолета с динамической стабилизацией осей функциональных каналов: дис. ... канд. техн. наук.: 05.11.07; М. 2006. 157 с.

10. Современные методы проектирования систем автоюстировки высокоточных оптико-электронных приборов / Н.В. Барышников [и др.] // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2011. № S2. С. 128-142.

11. Барышников Н.В. Использование полунатурных методов моделирования при проектировании сложных лазерных оптико-электронных систем // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эл. № ФС 77-48211. 2011. URL: http://old.technomag.edu.ru/doc/166411.html (дата обращения: 10.02.2018).

12. Барышников Н.В. Разработка и исследование устройств параллельного переноса пучка излучения для систем автоюстировки каналов лазерных локационных станций // Измерительная техника. 2011. № 4. С. 65-70.

13. Modern Optical Engineering / J.S. Warren [et al.]. USA: McGraw-Hill Education, 2007. 764 p.

14. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Машиностроение, 1989. 512 с.

15. Основы импульсной лазерной локации: Учебное пособие / В.И. Козинцев [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 512 с.

16. Лазарев, Л.П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения и наведения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1976. 568 с.

17. Адаптивная оптика / Е.В. Ермолаева [и др.]. СПб: НИУ ИТМО, 2012. 297 с.

18. Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А. Панов [и др.]. Л.: Машиностроение, 1980. 742 с.

19. Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов [и др.]. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.

20. Устройство для определения углового отклонения оси лазерного пучка от номинального положения: патент №2496098 РФ / Ю.М. Артемов, Н.В. Барышников; опубл. 2011.

21. Lateral Transfer Retroreflector and Roof Mirror for Same: patent 5024514 US / Z. Bleier, M. Lipkins; publ. 18.06.1991.

22. Lateral Transfer Retroreflector assembly: patent 5361171 US / Z. Bleier; publ. 01.11.1994.

23. Устройство для коллинеарного переноса оптических осей: патент №957147 СССР / В.А. Мейтин; опубл. 1982.

24. Устройство для коллинеарного переноса оптических осей: патент №2063059 РФ / В.А. Мейтин, С.И. Ражев; опубл. 1996.

25. Введение в математическое моделирование: Учеб. пособие / П.В. Трусов [и др.]. М.: Логос, 2004. 440с.

26. Канатников А.Н. Линейная алгебра: Учебник для втузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 336 с.

27. Смирнов А.П., Филатов А.Б. Моделирование функциональных устройств оптических приборов. Часть 2. Зеркально-призменные устройства. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 48 с.

28. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. М: Логос, 2007. 248 с.

29. Measurement of a 2-meter flat using a pentaprism scanning system / P.C.V. Mallik [et al.] // Opt. Eng. 2007. 46(2). 023602.

30. Binary Image Analysis. CSE576: Computer Vision Course / Computer Science & Engineering at the University of Washington // WASHINGTON.EDU: University of Washington. URL: https://courses.cs.washington.edu/courses/cse576/book/ch3.pdf (дата обращения: 29.11.2016).

31. Фисенко В.Т. Фисенко Т.Ю. Компьютерная обработка и распознавание изображений. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 192 с.

32. Колючкин В.Я., Нгуен К.М., Чан Т.Х. Алгоритмы обработки информации в системах технического зрения промышленных роботов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 9 (21). С. 42.

33. Чан Т.Х. Оптико-электронные приборы контроля погрешности перемещений объектов: дис. ... канд. техн. наук.: 05.11.07; М. 2014. 123 с.

34. Вязовых М.В., Литвинов И.С. Цифровая обработка видеосигналов в автоматической системе союстировки осей лазерных пучков // Лазеры в науке, технике, медицине сборник научных трудов XXVI Международной конференции. 2015. С. 91-94.

35. Повышение помехоустойчивости лазерных локационных систем при автоматическом обнаружении световозвращателей / В.Б. Бокшанский [и др.] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 9 (9). С. 16.

36. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. М.: Лань, 2009. 108 с.

37. Тудоровский А.И. Теория оптических приборов. М.; Л.: АН СССР, 19481952. 655 с.

38. Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 260 с.

39. Петров С.А. Моделирование оптической разметки крупногабаритных корпусных изделий // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2011. Т. 11. № 9 (82). С. 33-37.

40. Зверев В.А., Рытова Е.С., Тимощук И.Н. Погрешности изготовления и установки отражательных призм // Оптический журнал. 2011. Т. 78. №3. С. 14-20.

41. Ершова И.Г. Погрешности измерений и их оценка // Вестник Псковского государственного университета. Серия: Экономические и технические науки. 2012. № 1. С. 135-141.

42. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. 274 с.

43. Теория оптических систем: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов / Н.П. Заказнов [и др.]. М.: Машиностроение, 1992. 448 с.

44. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах / В.И. Нефёдов [и др.]. М.: Высшая школа, 2005. 599 с.

45. ГОСТ 24643-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Числовые значения. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 8 с.

46. Дмитриев В.С., Костюченко Т.Г., Теплоухов В.В. Мобильные лидары. Расчет статически неопределимой механической системы «лидар -основание» // Успехи современного естествознания. 2010. № 9. С. 208210.

47. Doyle K., Genberg V., Michels G. Integrated Optomechanical Analysis. USA: SPIE Press, 2002. 229 p.

48. Васильев А.С., Суханов Ю.В. Некоторые тенденции развития систем моделирования эксплуатационных качеств изделий на ЭВМ и рынка этих систем // Инженерный вестник Дона. 2014. Т. 29, № 2. С. 48.

49. Горбачёв А.А. Оптико-электронные приборы и системы техносферной безопасности. Санкт-Петербург, 2011. 123 с. URL: http://oeps.ifmo.ru/uchebn/UP_0ESTB%20.pdf (дата обращения: 30.11.2016)

50. Satellite Vibration on Image Quality Degradation of Remote Sensing Camera / Wang Zhi-le [и др.] // Research on Precision Instrument and Machinery (RPIM). 2012. Volume 1, Issue 1. P. 6-10.

51. Бейкер Р. Введение в вибрацию. Москва: LDS, 1994. 44 с.

52. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Высшая школа, 2000. 480 с.

53. Барышников Н.В., Пискунов Т.С. Исследование влияния излучения рабочего лазера на работу систем автоюстировки высокоточных лазерных приборов // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эл. № ФС 77-48211. 2011. URL: http://old.technomag.edu.ru/doc/241632.html (дата обращения: 10.02.2018).

54. Пискунов Т.С., Барышников Н.В., Животовский И.В. Исследование влияния угловых аберраций объектива оптико-электронного координатора на погрешности измерения взаимного углового рассогласования осей лазерных пучков // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эл. № ФС 77-48211. 2012. URL: http://old.technomag.edu.ru/doc/479575.html (дата обращения: 10.02.2018).

55. The operating stability of an automatic adjustment system with a parallel transfer device using a pentaprism / T.S. Piskunov [et al.] // Measurement Techniques. 2013. Т. 55, № 12. P. 1371-1378.

56. Пискунов Т.С., Чибисов П.В. Особенности проектирования оптических систем устройств параллельного переноса оси лазерного пучка // Успехи современной радиоэлектроники. 2014. № 4. С. 58-62.

57. Piskunov T.S., Baryshnikov N.V., Zhivotovskii I.V. An Investigation Of The Precision Characteristics Of A Device Based On Pentaprisms For Parallel Transfer Of A Beam Of Laser Radiation // Measurement Techniques. 2015. Т. 58, № 3. P. 292-299.

58. Точностные характеристики устройства параллельного переноса пучка лазерного излучения, построенного на основе пентапризм / Т.С. Пискунов [и др.] // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 3. С. 140-146.

59. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 1999. 480 c.

60. Теория оптико-электронных систем: учебник для втузов / Г.М. Мосягин [и др.]. М.: Машиностроение, 1990. 431 с.

61. Сидняев Н.И., Вилисова Н.Т. Введение в теорию планирования эксперимента: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. 463 с.

62. Сборка и юстировка оптических приборов: конспект лекций / А.С. Козерук [и др.]. Минск: БНТУ, 2015. 95 с.

63. Автоматизированная юстировка параллельности энергетической оси передающего канала и оси приемного канала лазерного дальномера / П.А. Белойван [и др.] // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. С. 136.

64. Экспериментальные исследования точностных характеристик устройств параллельного переноса пучка лазерного излучения / Т.С. Пискунов [и др.] // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 2. С. 130-133.

65. Скамья оптическая ОСК-2ЦЛ. ПАСПОРТ // ОАО «Швабе - Оборона и Защита». URL: http://npzoptics.ru/files/ОСК-2ЦЛ.pdf (дата обращения: 01.12.2016).

66. Булатников Е.В., Гоева А.А. Сравнение библиотек компьютерного зрения для применения в приложении, использующем технологию

распознавания плоских изображений // Вестник МГУП имени Ивана Федорова. 2015. № 6. С. 85-91.

67. СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. Санитарные нормы. Москва, 2002. 22 с.

68. Сухопаров С.А., Тимощук И.Н. Инвариантные преобразования в оптике // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2002. №5. С. 8-13.

69. Подопригора А.Г., Колесников Э.В. Исследование влияния различных видов аберраций на относительную энтропию волнового фронта // Известия Волгоградского государственного технического университета: Межвуз. сб. науч. ст. Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2012. № 6(93). С.7-12.

70. Авдеев А.В., Метельников А.А. Бортовая лазерная силовая установка для борьбы с космическим мусором // Труды МАИ. 2016, Выпуск № 89. С. 10.

71. Скляров С.Н. Устройства проверки согласования оптических осей каналов оптико-электронных комплексов // Приборостроение. 2016. №9. С.741-749.

72. Батищев Д.И., Шапошников Д.Е. Многокритериальный выбор с учетом индивидуальных предпочтений. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1994. 92 с.

73. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учебное пособие. СПб.: Политехника, 2007. 579 с.

74. Malacara D., Thompson B.J. Handbook of Optical Engineering. USA: CRC Press, 2001. 978 p.

75. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. М.: Горячая линия-Телеком, 2014. 608 с. С. 275-282.

отзыв

научного руководителя доктора технических наук, доцента Барышникова Николая Васильевича на диссертационную работу

Пискунова Тараса Сергеевича

«МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО РАССОГЛАСОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ОСЕЙ ПРИЁМНОГО И ПЕРЕДАЮЩЕГО КАНАЛОВ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ

КОМПЛЕКСОВ»

представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Пискунов Т.С. окончил специалитет МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2011 г. и начал свою трудовую деятельность в должности инженера НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИИ РЛ). В процессе обучения Пискунов Т.С. активно занимался научной работой, что позволило ему в том же году поступить в очную аспирантуру кафедры лазерных и оптико-электронных систем. С начала своей научной деятельности он специализировался в области разработки систем автоюстировки многоканальных лазерных оптико-электронных комплексов. Тема его диссертации совпадает с научными работами, которые выполнялись в НИИ РЛ по контрактам с ПАО «НПО «Алмаз». Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки методов и аппаратных средств, которые обеспечивают высокоточную союстировку осей многоканальных лазерных оптико-электронных комплексов, работающих в условиях воздействия внешних механических вибраций и значительных перепадов температуры окружающей среды.

В диссертации Пискунова Т.С. разработаны и научно обоснованы метод и оптико-электронная аппаратура, обеспечивающие высокоточное измерение углового рассогласования осей приемо-передающих каналов лазерных комплексов, расположенных на значительных расстояниях друг от друга. Погрешности измерений составляют единицы угловых секунд, причем обеспечиваются они в условиях воздействия внешних механических вибраций. Именно эти особенности отличают разработанные в диссертации метод и аппаратуру от известных ранее.

Представленная диссертационная работа обладает научной новизной, которая отражена в следующих положениях:

- показана возможность обеспечения высокоточного согласования угловых положений оптических осей приёмного и передающего каналов ЛОЭС, расстояние между которыми превышает десятки сантиметров, в условиях вынужденных гармонических колебаний конструкции, за счёт решения задач параллельного смещения пучка излучения опорного лазера и определения его угловых координат с помощью единой системы (системы определения углового рассогласования);

- разработана методика точностного анализа систем определения углового рассогласования, основанная на математической модели хода лучей в оптической системе на основе двух пар пентапризм, позволяющая вычислить погрешность определения углового рассогласования оптических осей каналов лазерных оптико-электронных систем;

- предложена новая функциональная схема эталонного зеркально-призменного блока, являющегося юстируемым разнесённым в пространстве уголковым отражателем, позволяющая обеспечить экспериментальное измерение погрешности системы определения углового рассогласования с ошибкой, не превышающей 0,4 угл.сек.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика определения углового рассогласования оптических осей приёмного и передающего каналов лазерных оптико-электронных систем использовалась в НПО «Алмаз» для обеспечения точностных характеристик современных оптических систем.

В диссертации изложена разработанная автором методика точностного анализа исследуемых систем определения углового рассогласования, которая является основой для их проектирования. Большое внимание в диссертации уделяется разработке лабораторной аппаратуры и методики экспериментальных исследований точностных характеристик созданных образцов систем определения углового рассогласования.

Проведённые экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических положений диссертации.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 8 международных научно-технических конференциях, изложены в 15 публикациях, в том числе, в 7 научных статьях, опубликованных в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Пискунов Т.С. показал себя вполне сложившимся научным сотрудником, владеющим современными методами расчета и проектирования сложных оптико-электронных систем.

В настоящее время Пискунов Т.С. работает в должности ассистента на кафедре лазерных и оптико-электронных систем и совмещает преподавательскую деятельность с научной работой, являясь инженером в НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Диссертация Пискунова Т.С. является самостоятельной, законченной научно-квалификационной работой, выполненной на актуальную тему, в которой содержится решение важной технической задачи, имеющей существенное значение для развития оптико-электронного приборостроения. Диссертация соответствует требованиям ВАК РФ, предъявляемым к кандидатским диссертациям.

Считаю, что Пискунов Т.С. заслуживает присуждения ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07-0птические и оптико-электронные приборы и комплексы.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой лазерных и оптико-электронных систем МГТУ им. Н.Э. Б;

Николай Васильевич Барышников «» ^ 2018 г

Адрес МГТУ им. Н.Э. Баумана:

105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.

ВЕРНО

зам»начальника управления кадров

.........19 БАУМАНА

Рабочий телефон: [phone] Адрес эл. почты: [e-mail]

А, Г. Матвеев