Разработка метода контроля составного зеркала телескопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Сечак Евгений Николаевич

• Сечак Евгений Николаевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Сечак Евгений Николаевич

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ГЛАВНЫХ ЗЕРКАЛ И ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ

СХЕМ ТЕЛЕСКОПОВ

1.1 Обзор существующих методов контроля составных зеркал

ТЕЛЕСКОПОВ НАЗЕМНОГО И КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

1.1.1 Системы адаптации космических телескопов

1.1.2 Многоступенчатый метод контроля телескопа JWST

1.1.3 Системы адаптации наземных телескопов

1.2 СХЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕРКАЛА

1.2.1 Схема контроля из центра кривизны главного зеркала

1.2.2 Схема контроля телескопа из фокальной плоскости

1.2.3 Схема контроля с голограммой на главном зеркале

1.2.4 Схема контроля с плоским зеркалом

1.3 ДАТЧИКИ волнового фронта

1.3.1 Интерферометрические датчики волнового фронта

1.3.2 Датчики волнового фронта на основе метода Гартмана

1.4 Анализ оптических схем телескопов

1.4.1 Осевая зеркальная схема с линзовым корректором

полевых аберрации

1.4.2 Осевая трехзеркальная схема с центральным экранированием

1.4.3 Осевая четырехзеркальная схема с центральным экранированием

1.4.4 Внеосевой трехзеркальный анастигмат

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ СОСТАВНОГО ЗЕРКАЛА ТЕЛЕСКОПА ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ БЕСКОНЕЧНО УДАЛЕННОГО

ТОЧЕЧНОГО ОБЪЕКТА

2.1 Анализ формы сегментов составного зеркала

2.2 РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗЕРКАЛЬНЫХ СЕГМЕНТОВ

СОСТАВНОГО ЗЕРКАЛА

2.3 АЛГОРИТМ КОМПЬЮТЕРНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ СОСТАВНОГО ЗЕРКАЛА

2.4 Метод контроля оптической поверхности составного зеркала по

ИЗОБРАЖЕНИЮ БЕСКОНЕЧНО УДАЛЕННОГО ТОЧЕЧНОГО ОБЪЕКТА

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

КОНТРОЛЯ СЕГМЕНТОВ ЗЕРКАЛА ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ БЕСКОНЕЧНО УДАЛЕННОГО ТОЧЕЧНОГО ОБЪЕКТА

3.1 ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОГО РАЗРЕШЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДВУХ СЕГМЕНТОВ ГЗ

3.2 ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ АМПЛИТУДЫ СИГНАЛА К

СДВИГУ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

3.3 ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПЕРВЫХ МОМЕНТОВ К

ПОВОРОТУ ЗЕРКАЛА

3.4 ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВТОРЫХ МОМЕНТОВ К СДВИГУ

матрицы

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАТЧИКА ВОЛНОВОГО ФРОНТА

4.1 ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО ДАТЧИКА ВОЛНОВОГО ФРОНТА

4.1.1 Методика контроля составного зеркала с использованием

интерферометрического канала датчика волнового фронта

4.1.2 Автоколлимационный канал настройки

4.2 ПОРЯДОК ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕРФЕРОМЕТРА

4.2.1 Расчет характеристик интерферограммы

4.2.2 Расчет коэффициентов радиального и бокового сдвига

4.2.3 Определение размеров интерферометра радиально-бокового сдвига

4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕРФЕРОМЕТРА

4.4 Оценка предела допустимой погрешности проверки параметров СОСТАВНОГО ЗЕРКАЛА

4.5 МАКЕТИРОВАНИЕ ДАТЧИКА ВОЛНОВОГО ФРОНТА И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ

4.6 КОНТРОЛЬ СОСТАВНОГО ЗЕРКАЛА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АДАПТИВНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АДАПТИВНЫЕ НАЗЕМНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ОПТИЧЕСКИЙ ВЫПУСК НА ОБЪЕКТИВ ТЕЛЕСКОПА

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Реферат

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода контроля составного зеркала телескопа»

Актуальность темы исследования

Существующие в настоящее время оптико-электронные телескопические комплексы (ОЭТК) как наземного, так и космического базирования при определенных условиях не удовлетворяют возросшим требованиям по пространственному разрешению. Улучшение этой характеристики достигается за счет применения новых схемотехнических, конструкторско-технологических решений, методов и средств оценки качества изображения и юстировки ОЭТК, что особенно важно для телескопов космического базирования в условиях массогабаритных и энергетических ограничений.

Перед разработчиком оптико-механической части ОЭТК возникает сложнейшая задача - спроектировать главное зеркало (ГЗ) наименьшей массы и обеспечить конструктивно сохранение формы его рабочей поверхности на всех этапах как наземных испытаний, так и штатной эксплуатации ОЭТК. При этом разработчик должен учесть все технологические ограничения, которые во многом определяют конструктивный облик ГЗ.

Основной трудностью при отработке конструкции ГЗ, в частности для телескопов космического базирования, является то обстоятельство, что в процессе изготовления, монтажа в узлах закрепления, наземных испытаниях (автономных и в составе ОЭТК), на ГЗ воздействуют гравитационные силы, вызывающие соответствующие деформации рабочей поверхности, в то время как в процессе эксплуатации силы тяжести не влияют на ГЗ и деформации, присущие наземным условиям, отсутствуют. Поэтому в конструкции ГЗ должны быть предусмотрены узлы, обеспечивающие минимизацию деформаций, возникающих под действием сил тяжести, и формирующие форму рабочей поверхности близкую к той форме, которую ГЗ примет на орбите в состоянии невесомости. Это особенно важно при юстировке

оптико-механической системы ОЭТК, которая производится в схеме контроля формы волнового фронта излучения, проходящего через объектив. Таким образом проектируя ОЭТК по традиционной технологии из монолитных зеркал можно выделить следующие недостатки:

1. неравномерность распределения массы и жесткостных характеристик по объему зеркала вследствие неравномерности структуры облегчения из-за технологических сложностей при изготовлении облегчающих ячеек;

2. особенности выбора точек крепления ГЗ к корпусу аппарата;

3. несимметричность систем разгрузок в узле ГЗ.

Эти недостатки приводят к ухудшению качества рабочей поверхности, достигнутого при изготовлении, в условиях эксплуатации зеркала из-за невозможности качественного «обезвешивания» зеркала в наземных условиях.

Ключевая задача создания крупногабаритных телескопов, как наземного, так и космического базирования заключается в минимизации влияния сторонних факторов на качество изображения, полученных от воздействия внешних факторов на ОЭТК. Для решения данной задачи возможно применять адаптивные оптические системы, в частности для ГЗ телескопов, как основного оптического элемента системы. По принципу построения адаптивное ГЗ можно разделить на несколько типов построения:

1. из сплошного материала, коррекция формы рабочей поверхности достигается за счет актуаторов, расположенных на тыльной стороне ГЗ;

2. из сегментов, образующих составную форму ГЗ. Коррекция ошибок волнового фронта производится с помощью актуаторов закрепленных на тыльной стороне каждого сегмента составного зеркала.

Второй вариант построения адаптивной оптической системы является более перспективным и технически реализуемым для создания крупногабаритных телескопов наземного базирования с диаметром ГЗ свыше 6 метров (из-за

технологических ограничении изготовления зеркала) и космического базирования -свыше 3 метров (из-за массо-габаритных ограничений космического аппарата).

В рамках диссертационной работы разрабатывается и исследуется система контроля положения сегментов составного зеркала с возможностью её применения в телескопах, как наземного, так и космического базирования для восстановления формы рабочей поверхности составного ГЗ так, чтобы зеркальные сегменты образовывали по отношению друг к другу одну квазивостановленную поверхность монолитного зеркала, тем самым образуя единый волновой фронт от всех сегментов зеркала. Таким образом, в ходе выполнения настоящей работы разрабатывается новое схемотехническое решение по контролю сборки, юстировки и коррекции ошибок в процессе эксплуатации ОЭТК с составным ГЗ с возможностью применения, как для наземного, так и для космического базирования ОЭТК.

Указанное обстоятельство определяет актуальность темы диссертации, посвящённой разработке и исследованию метода юстировки ОЭТК с составным ГЗ.

Степень научной разработанности проблемы. Автор опирался на труды таких отечественных ученых как: Ган М.А., Зверев В.А., Серегин А.Г., Сычев В. В., Сокольский М.Н., Еськов Д.Н. и других. Наряду с отечественными работами диссертант обращался к трудам зарубежных авторов: D. Scott Acton, Paul Atcheson, Charles-Philippe Lajoie и других.

В диссертационной работе объектом исследования являются

крупногабаритные телескопы с составным главным зеркалом.

Предмет диссертационного исследования - оптические методы контроля положения сегментов составных зеркал телескопов наземного и космического базирования.

Целью диссертационной работы является - разработка метода контроля составного зеркала телескопа на основе обработки изображения бесконечно

удалённого точечного объекта и формирования интерференционного изображения взаимодействия волновых фронтов от каждого сегмента составного зеркала.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

Задача 1 - анализ существующих методов и средств контроля положения зеркальных сегментов при формировании составного зеркала.

Задача 2 - разработка и исследование метода оценки качества изображения бесконечно удалённого точечного объекта, образованного зеркальным сегментом при его позиционировании.

Задача 3 - разработка и исследование метода контроля положения зеркальных сегментов составного зеркала по интерференционному изображению.

Задача 4 - разработка и исследование оптической схемы интерферометра для контроля положения зеркальных сегментов составного зеркала.

Задача 5 - разработка и исследование датчика волнового фронта для реализации метода и алгоритма позиционирования зеркальных сегментов составного зеркала телескопа в процессе сборки с возможностью реализации данного прибора при штатной работе оптико-электронного комплекса.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы математического и имитационного моделирования крупногабаритных оптических систем, законы волновой оптики, геометрическая теория формирования оптических изображений, методы на основе покоординатного спуска и симплекс метод, теоретические методы анализа и синтеза крупногабаритных адаптивных оптических систем. Компьютерное моделирование, проектирование оптической системы и исследование поведения модели датчика волнового фронта, основанного на схеме интерферометра радиально-бокового сдвига для контроля крупногабаритных зеркал, проводились в программном обеспечении MATLAB, PTC Creo Parametric и в среде разработки OpticStudio Zemax.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах.

Научная новизна 1 - обоснована эффективность применения метода оценки качества изображения бесконечно удалённого точечного объекта, образованного зеркальным сегментом при его позиционировании. (Соответствует области исследований 1 паспорта специальности).

Научная новизна 2 - обоснована эффективность применения канала анализа изображения бесконечно удаленного точёного объекта в оптической схеме контроля положения зеркальных сегментов составного зеркала, обеспечивающего позиционирование зеркальных сегментов составного зеркала с погрешностью, не превышающей 8 мкм, в диапазоне перестройки длины волны излучения от 1000 нм до 632,8 нм. (Соответствует области исследований 12 паспорта специальности).

Научная новизна 3 - разработан новый метод контроля положения зеркальных сегментов составного зеркала, основанный на применении модифицированного интерферометра радиально-бокового сдвига в части внедрения в интерферометр четвертьволновой пластины для преобразования циркулярно-поляризованного света в линейно-поляризованный и двухзеркального Р-отражателя с дополнительной фазовой пластиной, что позволяет выставить сегменты, образующие полную отражающую поверхность в соответствии с требуемым допуском, соответствующим среднеквадратическому отклонению волнового фронта не более Х/20, для схемы телескопа как с центральным экранированием, так и без него. (Соответствует области исследований 1 паспорта специальности).

Научная новизна 4 - проведена экспериментальная апробация замкнутой адаптивной оптической системы с датчиком волнового фронта, основанным на принципе построения интерферометра радиально-бокового сдвига со вторым каналом анализа изображения бесконечно удаленного точечного объекта. (Соответствует областям исследований: 1, 12 паспорта специальности).

Теоретическая и практическая значимость работы

Основные положения и выводы диссертационного исследования могут быть использованы в оптико-механической промышленности для создания ОЭТК, как наземного, так и космического базирования.

Впервые представлена методика позиционирования зеркальных сегментов составного зеркала с применением двухканального датчика волнового фронта на базе интерферометра радиально-бокового сдвига с точностью позиционирования сегментов по среднеквадратическому отклонению волнового фронта А/20 с возможностью применения датчика волнового фронта в оптико-электронном телескопическом комплексе в условиях эксплуатации как наземного, так и космического базирования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Модернизированный метод моментов, применяемый на начальном этапе юстировки сегментов составного зеркала, определяющий как координаты центра тяжести распределения облученности в пятне рассеяния, так и размеры пятна рассеяния и использующий критерий минимизации его размера при пошаговом изменении длины волны контролирующего пучка от 1000 нм до 632,8 нм, позволяет совместить центры пятен рассеяния от юстируемых сегментов зеркала с погрешностью, не превышающей 8 мкм.

2. Применение разработанного интерференционного метода, чувствительного как к радиальным, так и боковым рассогласованиям юстируемого сегмента составного зеркала телескопа относительно выбранного базового сегмента, позволяет выставить сегменты, образующие полную отражающую поверхность в соответствии с требуемым допуском, соответствующим среднеквадратическому отклонению волнового фронта А/20, для схемы телескопа как с центральным экранированием, так и без него.

3. Модернизация структуры интерферометра радиального сдвига, заключающаяся в дополнении интерферометра четвертьволновой пластиной для

преобразования циркулярно-поляризованного света в линейно-поляризованный и двухзеркального Р-отражателя с дополнительной фазовой пластиной, исключает попадание светового пучка одной из ветвей интерферометра в блок бокового сдвига и позволяет реализовать боковой сдвиг изображения, что в результате обеспечивает совместное функционирование блоков радиального и бокового сдвига при соответствующем упрощении общей структуры устройства.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы представлены на международных, всероссийских, университетских и отраслевых конференциях: «Международная конференция и молодежная школа «Информационные технологии и нанотехнологии»», г. Самара, 2020 и 2022 г.г.; «Всероссийский конгресс молодых ученых», г. Санкт-Петербург, 2020, 2021 и 2022 г.г.; «Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов «Вопросы радиоэлектроники: техника телевидения»», г. Санкт-Петербург, 2020 и 2021 г.г.; «XVI Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли»», г. Геленджик, 2019 год; «Восьмая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли»», г. Москва, 2020 год; «XII научно-техническая конференция «Молодежь. Техника. Космос»», г. Санкт-Петербург, 2020 года; «Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО», г. Санкт-Петербург, 2019, 2020, 2021 и 2022 г.г.; «Отраслевая научно-практическая конференция «Космонавтика XXI века», посвящённая 75-летию создания ракетно-космической отрасли и 75-летию со дня образования НИИ-88/ЦНИИмаш», г. Королев, 2021 год.

Диссертационная работа поддержана грантом для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга - 2021.

По теме диссертационного исследования принято непосредственное участие в следующих НИР: 1) НИР по теме 621317 «Фундаментальные и прикладные вопросы фотоники»; 2) НИР по теме 620170 «Разработка методов и средств для решения прикладных задач оптотехники и биоинженерии»; 3) НИР по теме 619297 «Разработка методов и средств решения прикладных задач фотоники»; 4) НИР по теме 617031 «Исследование и разработка методов и средств решения прикладных задач фотоники».

Достоверность научных достижений

Разработанный метод контроля положения сегментов составного зеркала телескопа в полной мере базируется на законах геометрической оптики, волновой оптики и методах оценки качества изображения оптических систем. Схемотехнические решения по созданию датчика волнового фронта разработаны на основе анализа передового опыта создания схем контроля крупногабаритных адаптивных оптических систем как наземного, так и космического базирования. Алгоритм позиционирования сегментов зеркала по изображению бесконечно удаленного точечного объекта отработан на лицензионном программном обеспечении MATLAB Simulink; моделирование, аберрационный расчет и оптимизация предложенной схемы датчика волнового фронта реализован с использованием лицензионного пакета программ PTC Creo Parametric, OpticStudio Zemax. Достоверность разработанного метода контроля и алгоритма позиционирования сегментов составного зеркала подтверждена на основе полученных результатов в ходе макетных испытаний разработанного датчика волнового фронта.

Внедрение результатов работы

Основные результаты работы внедрены Научно-исследовательским институтом телевидения в части методики формирования, регистрации и обработки изображения бесконечно удаленного точечного объекта при геометрическом и оптотехническом позиционировании оптических систем относительно фотоприемных устройств

оптико-электронного комплекса для перспективных космических аппаратов системы орбитального обслуживания. Результаты работы, внедренные в ООО «ОПТОТЕХНИКА» в части методики контроля положения асферических зеркал с использованием разработанного интерферометра радиально-бокового сдвига, позволили усовершенствовать порядок юстировки положения асферических зеркал оптического имитатора солнца, используемого для наземной ориентации и стабилизации космических аппаратов. Отдельные результаты работы в части методики контроля положения сегментов составного зеркала в крупногабаритных телескопах для дистанционного зондирования Земли использованы в процессе обучения магистров по образовательной программе «Оптико-цифровые системы» по дисциплине «Оптико-цифровые системы и технологии».

Личный вклад автора

Все результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном ключевом участии. Автором рассчитана оптическая схема, спроектирована конструкция и реализован макет двухканального датчика волнового фронта, основанного на принципе построения интерферометра радиально-бокового сдвига для контроля крупногабаритных составных зеркал телескопов как наземного, так и космического базирования. Автором предложен комплексный подход для выбора оптических и конструктивных параметров схем контроля крупногабаритного главного зеркала, имеющих высокое и сверхвысокое пространственное разрешение.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 14 работ, из них 2 публикации в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 7 публикаций в журналах из перечня ВАК и 5 публикаций в других изданиях.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 293 страниц и

содержит 70 рисунков и 6 таблиц. Нумерация рисунков и формул выполнена по главам. Список литературы включает в себя 115 источников. Нумерация используемых литературных источников сквозная по всему тексту.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна, метод исследования, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены результаты анализа научно-технической информации в части исследования существующих методов контроля составных зеркал телескопов наземного и космического базирования, рассматриваются схема контроля составных зеркал при совещённой плоскости изображения источника и центра кривизны ГЗ и схема контроля оптической системы с совмещенными плоскостями изображения телескопа и источника. Проведен анализ существующих датчиков волнового фронта и исследованы различные оптические схемы телескопов для выбора оптимального типа оптической схемы объективов, используемых в составе оптико-электронного телескопического комплекса для космического применения.

Наиболее важные этапы технологического процесса изготовления и штатного использования крупногабаритных зеркал сопровождаются контролем формы рабочей поверхности. На завершающем этапе контроль геометрических характеристик обеспечивает получение информации о самом важном результате технологического цикла - о соответствии качества рабочей поверхности изготовленного зеркала предъявляемым к нему требованиям.

Производственный контроль качества рабочих поверхностей крупногабаритного зеркала достаточно сложная операция, трудоемкость и точность которой во многом зависят от характеристик применяемых методов и средств измерения.

Схемы контроля из плоскости изображения оптической системы полностью решают задачи внутреннего контроля и могут быть рекомендованы к дальнейшей проработке.

В связи с постоянным повышением требований к точности изготовления рабочей поверхности и из-за необходимости изучения влияния различных факторов на изменения формы рабочей поверхности в процессе изготовления и испытания ГЗ, важное значение приобретают разработки, направленные на повышение точности и оперативности контроля, помехозащищённости процесса измерений, снижение трудоемкости юстировки измерительной схемы, упрощения действии оператора при обработке результатов измерений.

В ходе проведенного анализа различных схем контроля крупногабаритных зеркал, было принято решение к реализации датчика волнового фронта, основанного на интерферометре радиально-бокового сдвига, исходя из следующего:

1. Благодаря формированию интерферограмм (интерференции волновых фронтов) внутри прибора в интерферометре моноблочной конструкции и отсутствию образцовой поверхности можно ожидать повышение помехоустойчивости в условиях воздействия дестабилизирующих факторов (вибрация, дрейф воздушных масс, поток теплового излучения) при использовании оптико-электронного телескопического комплекса в условиях эксплуатации и при юстировке на Земле.

2. Соотношение интенсивностей интерферирующих потоков излучения определяется только светоделителем интерферометра, следовательно, при правильном выборе отношения пропускания и отражения светоделителя, может быть достигнут контраст интерференционной картины близкий к единице не зависимо от коэффициента отражения контролируемого объекта для любых контрольных схем.

3. Отсутствует необходимость применение поверхности сравнения в съеме контроля; конструкция насадок, входящих в состав схемы контроля может быть значительно упрощена по сравнению с насадками интерферометра ИКД-110, для

которого необходимо последнюю сферическую поверхность использовать в качестве эталонной и обеспечивать совпадение ее центра кривизны с фокусом насадки.

4. По своим точностным характеристикам датчики волнового фронта на основе метода Гартмана значительно уступают интерферометрическим датчикам волнового фронта.

Применяя линзовую и зеркально-линзовую оптику в космических комплексах, необходимо учитывать, резкое увеличение веса оптических систем с одной стороны, и резкое сужение спектрального диапазона, с другой стороны. Практически вся зарубежная космическая оптика в настоящее время базируется на зеркальных элементах. Исключения могут составить, естественно, широкоугольные системы, в которых зеркальные системы применяться не могут.

Преимущества зеркальных систем по сравнению с линзовыми и зеркально-линзовыми системами:

1. широкий спектральный диапазон;

2. меньший вес;

3. меньшее число оптических поверхностей;

4. увеличенная светосила телескопа позволяет уменьшить выдержку экспозиции, тем самым уменьшить влияние остаточных сдвигов изображения на качество изображения.

Одним из представителей чисто зеркальных систем, активно использующихся в системах космического базирования, является телескопы, построенные по оптической схеме Корша. Схема Корша состоит из трех соосных асферических зеркал, а для уменьшения виньетирования в систему вводится дополнительное плоское зеркало, которое выносит изображение в сторону. К достоинствам схемы Корша необходимо отнести действительное изображение выходного зрачка и наличие промежуточного изображения, что позволяет исключить бленду и уменьшить конструкцию телескопа в размерах. Решаемые задачи оптической системой по схеме Корша -высокодетальное многоспектральное наблюдение в том числе совместно в

ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра излучения. Для дальнейшей проработки возможности внедрения разрабатываемого датчика волнового фронта в оптический тракт оптико-электронного телескопичесого комплекса была выбрана оптическая схема Корша.

Во второй главе приведен разработанный метод контроля составного зеркала телескопа по анализу изображения бесконечно удаленного точечного объекта. В первом разделе проведён выбор формы поверхности сегментов составного зеркала.

При выборе формы элементов в случае применения составных зеркал целесообразно исследовать следующие варианты, представленные на рисунке 1. В частности, для заполнения полной апертуры зеркала больший интерес представляют зеркала с шестиугольной формой сегмента.

*

в

О

е

Рисунок 1 - варианты заполнения апертуры главного зеркала Число элементов и, следовательно, их размеры в основном ограничиваются допустимым числом каналов системы управления, определяющим ее сложность, вес, стабильность, надежность и другие свойства.

Для выбора формы зеркальных сегментов был произведен расчет влияния наклона сегментов составного зеркала, влияние поперечного смещения центра изображения ау2 и максимальный угол наклона при заданном отклонении формы

б

о

д

а

г

зеркала ЛWмакс на изменение контраста изображения. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость контраста от среднеквадратического отклонения формы

Wскв Малоэлементные Многоэлементные Угол наклона сегмента Контраст

Л^^макс Л^^макс V

0 0 0 0 0 0 1

А/50 А/25 1,6% А/10 4,1% 1,96° ■ 10-5 0,98

А/20 А/10 4,1% А/4 10,2% 2,87 ° ■ 10-5 0,9

А/14 А/7 5,8% А/2,8 14,6% 6,86 ° ■ 10-5 0,8

А/10 А/5 8,2% А/2 20,5% 9,77 ° ■ 10-5 0,6

А/8 А/4 10,2% А/1,6 25,6% 1,22 ° ■ 10-4 0,4

Исследуется два типа зеркал: это малоэлементные (рисунок 1 a - д) зеркала, имеющие одно кольцо заполнения сегментов и многоэлементное (рисунок 1 е) зеркало, которое имеет полное заполнение рабочей поверхности составного зеркала элементами шестиугольной формы, расположенными на трех концентрических окружностях. Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) исследуемых зеркал в полной мере зависит от формы, расположения и заполнения апертуры сегментированного зеркала. Расчет ЧКХ для исследуемых зеркал представлен на рисунке 2, расположение графиков ЧКХ соответствует зеркалам из рисунка 1. При расположении сегментов составного зеркала в соответствии с рисунком 1 б, в, г наблюдается резкое падение контраста изображения в сагиттальном сечении. Сегментированное зеркало, представленное на рисунке 1 д, имеет более равномерное распределение контраста изображения, так как заполнение полной апертуры зеркала (рисунок 1 а) происходит более равномерно без существенных зазоров между сегментами, но стоит отметить быстрое падение контраста изображения по сравнению с зеркалом (рисунок 1 е).

Таким образом, исходя из полученных значений ЧКХ для каждого из исследуемых вариантов заполнения апертуры зеркала сегментами составного зеркала,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сечак Евгений Николаевич, 2022 год

Литература

1. Родионов, А.И. Развитие методов .многомерных измерений при оптических исследованиях поверхности / AIL Родионов. Б.В. Зубков [и др.] // Журнал технической физики. - 2002. - Т. 72. Вып. 10.-С. 37-51.

2. Козодеров, В.В. Инновационная технология обработки многоспектральных космических пзображешш земной поверхности / В-В. Козодеров. T.B. Кондранин [и др.] // Исследование Земли ш космоса. - 2008. - № 1. - С. 56-72

3. Балтер, Ь.М. Целевое выделение растительных сообществ по данным авиационной пшерспекгральной съемки и многоспекгрального сенсора ИСЗ Quickbird / Б.М. Балтер. В.В. Егоров [и др.] // Исследование Земли из космоса. - 2008. - № 6. - С. 14-42.

4. Козодеров, В.В. Обработка и интерпретация данных пшерспекгралытах аэрокосмическпх измерений для дистанционной диагностики прпродно-техногенных объектов / В.В. Козодеров. Т.В. Кондранин [и др.] // Исследования Земли из космоса. - 2009. - № 2. - С. 36-54.

5. Абрамов, Б.А. Космический комплекс ошико-элек-тронного наблюдения «Ресурс-ДК1» / Б.А. Абрамов. Ю.А. Лапупш, В.К Скпрмунт, JT.K Львова // Информационный бюллетень ГНС-Ассоциашш. - 2001. -№2(29)-3(30).-С. 42-45.

6. Горелов, В Л.. Состояние и тенденции разв1пия космических средств дистанционного зондирования высокого разрешения [Электронный ресурс] / В.А Горелов.

E.JI. Лукашевич, В.А. Стрельцов. — URL: http://www.gisa.ru/5062.html (дата обращения 16.05.2020).

7. Шилин, Б.В. Использование вндеоспекгральной аэросъемки для экологического мошггоршгга / Б.В. Шилин. В.Н. Груздев. A.B. Марков. В.Ф. Мочалов // Онгнческга! журнал. - 2001. - Т. 68. № 12. - С. 41-49.

8. Основы испытания пластов / под ред. АГ. Загуренко. -пер. с англ. - М.-Ижевск: издательство «ИКИ». 2012. -432 с.

9. Нанофотоника п её применение в системах ДЗЗ / под ред. В.А. Сойфера. - Самара: Новая техника. 2016. -384 с.

10. Виноградов, А.Н. Линейка пшерспекгральных сенсоров оггшческого диапазона / АН. Виноградов. В.В. Егоров. А.П. Калинин. Е.М. Мельникова. АН. Родионов. Н.Д Родионов. - M.: ИКИ РАН 2015.

11. Свиридов. КН. Технология достижения высокого углового разрешения оптики атмосферного видения / КН. Свиридов. -М.: Знание, 2005.

12. Авдеев, СЛ. Анализ и синтез оптпко-элекгронных приборов / С.П. Авдеев. - СПб: Типография "Правда", 2000. - 680 с.

13. Обзор программ и библиотек для работы с пшерспек-тральнымп данными [Электронный ресурс]. - URL: https://www.spec traitée hnology.ni/info/articles/obzor-programin-i-bibliotek-dlya-raboty-s-giperspektralnymi-dannymi/ (дата обратцешгя 25.05.2020).

14. ENVI. Области применения [Электронный ресурс]. -URL: www.envisoft.ru/use_regions.html (дата обращения 25.09.2020).

15. Методы компьютерной обработки изображении / М.В. Гашников, НИ. Глумов. Н.Ю. Ильясова. В.В. Мясников, С.Б. Попов. В.В. Сергеев. В.А. Сойфер. АГ. Храмов. AB. Чернов. В.М Чернов. MA Чичёва. В.А. Фурсов, под ред. В.А Сойфера. - М: Физматлггт, 2003. - 784 с. - ISBN: 5-9221-0270-2.

16. Обработка пшерспектратьных пзображешш в программном комплексе ENVI [Электронный ресурс]. -URL: http://www.sovzond.ru/dzz (дата обращения 04.06.2020).

17. Дифракционная нанофотоника / AB. Гаврнлов. ДЛ. Головашкин, Л.Л Досколович, ПН. Дьяченко. АА Ковалёв, В.В.Котляр. А.Г. Налимов, ДВ. Нестеренко, B.C. Павельев. Р.В. Скнданов. В.А Сойфер, С.Н Хошша, Я.О. Шуюпова. под ред. В.А Сойфера. - М.: Фцзматлтгг. 2011. - 680 с. - ISBN: 978-5-9221-1237-6.

18. Абросимов, A.B. Обработка пшерспекгральных пзображешш в ПК ENVI / AB. Абросимов. АС. Черепанов // Геопрофи. - 2007. - № 2. - С. 55-57.

19. Козодеров, В.В. Обработка и интерпретация данных пшерспекгральных аэрокосмическпх измерений для дистанционной диагностики прпродно-техногенных объектов / В.В. Козодеров. Т.В. Кондранин [и др.] // Исследования Земли из космоса. - 2009. - № 2. - С. 36-54.

20. Горбунов, Г.Г. Гиперспектральная аппаратура для дистанционного зондирования Земли / ГГ. Горбунов. A.B. Демин, В О. Никифоров. AM. Савицкий, Ю.С. Скворцов, М.Н. Сокольский, В.П. Трегуб // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76, № 10. - С. 75-82.

Сведения об авторах

Демин Анатолий Владимирович - начальник бюро перспективных разработок АО «ЛОМО», доктор технических наук, профессор Универагтета IITMO. E-mail: da\' 60(a)mail.ni.

Компьютерная оптика, 2021, том45, №3 DOI: 10.18287/2412-6179-СО-697

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРПБОРЫ И СИСТЕМЫ

OPTICAL AND OPTO ELECTRONIC INSTRUMENTS AND SYSTEMS

УДК 520.2.03(062) DOI: 10.17586/0021 -3454-2022-65-2-87-100

МЕТОД АДАПТАЦИИ СОСТАВНОГО ГЛАВНОГО ЗЕРКАЛА ТЕЛЕС КОПА

Е. Н. Сечак1*, Н. Ф. Ерхова2, А. О. Колесников2

1 Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия [e-mail] 2 Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия

Аннотация. Теоретически исследованы вопросы позиционирования зеркальных элементов составного главного зеркала телескопа. Рассмотрены критерии качества составного зеркала в зависимости от формы поверхности. Представлен алгоритм адаптации поверхности зеркала (позиционирования сегментов составного зеркала). Предложенная система контроля составного зеркала позволяет контролировать пространственное положение сегментов зеркала и позиционировать их.

Кзючевые слова: составное зеркало, сегмент зеркала, адаптивная оптика, критерий качества, оптическая передаточная функция

Ссылки для цитирования: Сечак Е. Н., Ерхова Н. Ф., Колесников А. О. Метод адаптации составного главного зеркала телескопа // Изв. вузов. Приборостроение. 2022. Т. 65, № 2. С. 87—100. DOI: 10.17586/0021-3454-202265-2-87-100.

METHOD FOR ADAPTATION OF SEGMENTED PRIMARY TELESCOPE MIRROR E. N. Sechak1, N. F. Erkhova2, A. O. Kolesnikov2

'/T/WO University, St. Petersburg, Russia * evgenysechak@gmail. com 2 P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS, Moscow. Russia

Abstract. Several issues of positioning of mirror elements of segmented primary telescope mirror are theoretically investigated. Criteria for the quality of segmented mirror depending on its surface shape are considered. An algorithm for mirror surface adaptation (positioning of composite mirror segments) is presented. The proposed control system for composite mirror makes it possible to control the spatial position of the mirror segments and position them.

Keywords: segmented mirror, mirror segment, adaptive optics, quality criteria, modulation transfer function

For citation: Sechak E. N., Erkhova N. F., Kolesnikov A. O. Method for adaptation of segmented primary telescope mirror. Journal of Instrument Engineering. 2022. Vol. 65, N 2. P. 87—100 (in Russian). DOI: 10.17586/0021-3454-2022-652-87-100.

Космические наблюдательные комплексы в основном базируются на оптических системах, что обусловлено возможностью решения многих научно-технических задач при лучших выходных характеристиках оптико-механических устройств. К этим характеристикам относятся, прежде всего, разрешение и массогабаритные параметры аппаратуры. Однако постепенное повышение требований научной и прикладной практики к разрешению, а также проница-

© Сечак Е. Н„ Ерхова Н. Ф„ Колесников А. О., 2022 JOURNAL OF INSTRUMENT ENGINEERING. 2022. VOL. 65, N 2 ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ 2022. Т. 65, № 2

тельной способности (проницающей силе) привело к тому, что оптические системы, изготавливаемые по классическим схемам с использованием современных технологий, подходят к пределу по массогабаритным параметрам. Особенно это относится к наземным астрономическим инструментам [1—4].

В связи с этим в странах, имеющих научные программы, связанные с телескопострое-нием, ведутся интенсивные поиски путей увеличения входных зрачков объективов телескопов при минимизации увеличения их массы. Первое и очевидное направление поиска — применение новых материалов для корпусов зеркал с высокими механическими характеристиками (металлы, сплавы, композиты) и обеспечение высоких прочностных характеристик конструкций при максимально возможном облегчении. Второе направление — переход к использованию зеркально облегченной оптики с управляемой поверхностью, причем в этой области работы ведутся и над созданием сверхтонких зеркальных элементов, локально изгибаемых с помощью множества приводов, размещаемых с тыльной стороны, и над созданием зеркал, состоящих из относительно небольших жестких элементов, управляемых по положению с помощью приводов для получения и удержания единой оптической поверхности. Наконец, третье направление — переход к нетрадиционным оптическим схемам, основанным на принципах апер-турного синтеза, когда общее изображение получается как сумма сфазированных изображений, формируемых несколькими телескопами умеренного размера с жесткими зеркалами.

В настоящей работе представлены исследования в области позиционирования зеркальных сегментов телескопа с составным главным зеркалом.

Существующий уровень развития техники позволяет вывести на орбиту телескопы с диаметром зеркала до 3 м в собранном виде с учетом габаритов конструкции космического аппарата и реализовать теоретическое разрешение, определяемое только диаметром апертуры и рабочей длиной волны (0,05" для телескопа, предназначенного для исследований в видимой части спектра) [5]. Из вышесказанного возникают требования по температурной стабильности и достаточной механической жесткости для обеспечения заданных показателей критерия качества: в частности, среднеквадратичное отклонение волнового фронта, отраженного от зеркала, должно быть менее 0,03А. (при Х=633,2 нм) [5].

Оценка прогиба сплошных зеркал, изготовленных из одного и того же материала, показывает, что при единых конструктивных подходах величина деформации прямо пропорциональна четвертой степени их наружного диаметра и обратно пропорциональна второй степени их толщины (если удвоить диаметр зеркала, то для получения той же деформации под действием сил собственного веса необходимо в четыре раза увеличить его толщину, а масса зеркала при этом увеличится в шестнадцать раз [3—5]). Из этого примера ясно, что увеличение диаметра зеркала сопряжено со значительным увеличением его массы, и следовательно, массы всего телескопа. Для космического телескопа такой подход неприемлем. Нужно суметь облегчить конструкцию главного зеркала и при этом получить высокое качество его поверхности при изготовлении на Земле и сохранении его в условиях невесомости.

Использование составных сегментированных зеркал позволяет удовлетворить все основные требования, предъявляемые к конструкции крупногабаритного зеркала как космического, так и наземного базирования. Во-первых, открывается возможность дальнейшего снижения веса зеркала за счет структуры облегчения сегментов. С увеличением размеров при таком отношении диаметра зеркала к толщине вес его будет уменьшаться пропорционально корню квадратному из числа сегментов зеркала. Во-вторых, обеспечивается требуемая жесткость зеркала (так как жесткость одного элемента будет эквивалентна жесткости всех элементов составного зеркала). В-третьих, температурная стабильность составного зеркала по площади всех сегментов становится выше В-четвертых, достигается необходимое качество изображения телескопической системы в целом за счет коррекции формы поверхности зеркала с допусками, обеспечивающими дифракционный предел оптической системы. В этом слу-

Метод адаптации составного главного зеркала телескопа

89

чае требования высокой точности обработки предъявляются к отдельным элементам зеркала сравнительно небольшого размера, а точность установки достигается за счет применения алгоритма адаптации. Возможный вариант построения алгоритма позиционирования сегментов составного зеркала представлен в настоящей работе.

Выбор формы зеркальных сегментов составного зеркала. При выборе формы элементов в случае применения составных зеркал целесообразно исследовать варианты, представленные на рис. 1. В частности, с точки зрения заполнения полной апертуры зеркала больший интерес представляют зеркала с шестиугольной формой сегмента [6].

б) «) О $

д) е)

О «

Рис. 1

Количество элементов, и следовательно их размеры, в основном ограничиваются допустимым числом каналов системы управления, определяющих ее сложность, массу, стабильность, надежность и другие свойства [7].

Была исследована зависимость контрастности от среднеквадратического отклонения формы зеркал для мало- и многоэлементных составных зеркал (см. таблицу). Также были оценены поперечное смещение центра изображения ау: и максимальный угол наклона сегмента при заданном максимальном отклонении формы зеркала Д Щп!а [8].

Многоэлементное составное зеркало (рис. 1, е) в исследуемом случае имеет два кольца сегментов зеркал, в отличие от малоэлементных (рис. 1, а—д), имеющих только одно кольцо, что приводит к изменению поперечного смещения центра изображения.

Зависимость контрастности от среднеквадратического отклонения формы зеркал

^СКВ Малоэлементные Многоэлементные Угол наклона Контраст

А^шах аю % Д^Ш» аг_, % сегмента,0

0 0 0 0 0 0 1

Х/50 Л/25 1,6 >/10 4,1 1,96-10"ь 0,98

Х/20 >/10 4,1 ил 10,2 2,87-10"5 0,9

Я/14 VI 5,8 Л/2,8 14,6 6,86-10"3 0,8

то Л/5 8,2 Л/2 20,5 9,77-10"5 0,6

Л/8 Л/4 10,2 Л/1,6 25,6 1,22-Ю-4 0,4

Форма и количество сегментов зеркала оказывают существенное влияние на качество изображения, в том числе на частотно-контрастную характеристику (ЧКХ), графики которой приведены на рис. 2 (части а—е рисунка соответствуют частям рис. 1, где 1 — меридиональное сечение, 2 — сагиттальное сечение). В случае малоэлементных зеркал с круглой формой сегмента происходит быстрое падение ЧКХ в сагиттальном сечении. В случае малоэлементного зеркала с шестиугольной формой сегмента нет существенной разницы между ЧКХ для сагиттального и меридионального сечений, однако происходит быстрое падение контраста для обоих сечении. Таким образом, было выбрано многоэлементное зеркало с гексагональной формой сегмента. Во избежание влияния зазоров между элементами составного зеркала на качество изображения величина зазора не должна превышать 1 % от общей площади зеркала [9].

Исходя из значений параметров, полученных в соответствии с рис. 3, б и 4, вычислим координаты центров сегментов согласно выражению (4):

х=2 R

y=2R

а/2

■\Jr2 +(а/2)2

а/2

cos

arcsin

V

\ f

а/2

^Jr2 +(а/2)2

а/2

. cos arcsin .

^2+(a/2)2J I [V^2+(a/2)2

COS (

sincp,

(5)

2R

a/2

^2 + (a/ 2)2

1 - cos"

arcsm

a/2

^2+(a/2)2

Рассмотрим круг № 2 (рис. 6, б), в который укладываются сегменты 2, 4, 7, 12, 15, 17. Углы между центрам! сегментов также составляют а = 60°, т.е. (120,60,0,300,240,180°).

Для отыскания координат сегмента, расположенного во втором секторе, покажем проекцию на плоскость XOZ (рис. 7, а) и вычислим угол отклонения центра сегмента № 2 от вертикали в соответствии с рис. 7, б. Тогда координаты центров сегментов во втором секторе будут находиться из следующего выражения:

х = 2d cos р cos ф, <у = 2d cos р sin ф, z = 2d sin p. б)

(6)

<¡)

7

Рис. 7

Из рис. 7, а сторона d = R-sinp и угол а = 90°-р = 90°-(180°-90°-р) = р, a из 7, б

яД/З

сторона d = Rsin (1,5х), угол % = arcsm

— угол до центра каждого из

|л2 + (аД/з)

сегментов в плоскости XOY, т.е. ф8=120°, ф10=60°, ф12 = 0, ф14 =300°, ф16 = 240°, ф18 =180°. Из приведенных на рисунках треугольников выведем соотношение для р:

p=(Ux) d = R sin p

■ p = 2 arcsin

a/ -Jb

уЛ2 + (аД/3)~

Введем выражение для нахождеши координат центров сегментов:

(7)

а)

х = 2 / cos(2y)cos(|), y = 2f cos(2y)sii^, - = 2/sin(2y).

б)

(Ю)

Согласно рис. 9, а, проекция на горизонтальную плоскость выражается соотношением 2/сов(2у) и угол а = 90°- р = 90° - (180°-90°- 2у) = 2у, а из рис. 9, 6 сторона / = Дзш(2у),

угол у = arcsin

а/2

— угол до центра каждого из сегментов в плоскости ХОУ,

,Jr2 +(а/2)2

т.е. ф9 =90°, фп=30°, ф13 =330°, ф15 =270°, ф17=210°, ф19 = 150° . Из приведенных на ри-

сунках треугольников выведем соотношешге для угла 2у:

2у = 2 arcsin

а/2

2)2

(П)

Используя значешш параметров, полученных согласно рис. 9, вычислим коорлннаты центров сегментов в соответствии с выражением (10):

х = 2R sill (2у) cos (2у) cos ф = 2R sin

у = 2Л sin (2у) cos (2у) sin ф = 2/? sin

2 arcsin

а/2

2 arcsin

г = 2Д sin (2у) sin (2у) = 2Л sin;

(

2 arcsin

>2 + W2 f Ф

а/2

(

2 arcsin

а/2

2 arcsin

а/2

C0S6,

^Jr2 +(°/2)2J

Slllffi,

(12)

>2+(-/2)2Я

Зная координаты центров сегментов, диаметр и фокусное расстояние составного зеркала, можно составить алгоритм позиционирования сегментов составного зеркала.

Способ контроля оптической поверхности составного зеркала. В поле зрения приемника неотъюстированного составного зеркала будет находиться множество изображений точечного источника, создаваемых каждым сегментом зеркала по отдельности. Некоторые сегменты могут строить изображение вне поля зрения камеры. На первом этапе юстировки системы сопоставляются сегменты и изображения источника излучения на детекторе. По очереди (или по нескольку одновременно, но по разным шаблонам) все зеркала „шевелятся" актуаторами. Зафиксированное изображение приводится к центру поля зрения. Если зафиксировать перемещение ни одного из изображений не удастся, значит, изображение сегмента находится вне поля зрения детектора. Для поиска актуаторы наклоняют сегмент таким образом, чтобы изо-

Метод адаптации составного главного зеркала телескопа

95

бражение начало двигаться по расширяющейся спирали. Сканирование продолжается, пока изображение не будет найдено, после чего оно также перемещается в центр поля зрения.

Оптимизация положения сегментов. После того как положения пятен от каждого сегмента зеркала по отдельности совпадут с требуемыми координатами на детекторе, необходимо произвести окончательную юстировку сегментов. Для этого апертура зеркала разбивается на круглые сектора, каждый из которых включает в себя пять примыкающих друг к другу сегментов (рис. 10). Сегменты зеркала, находящиеся на пересечении соседних секторов, принадлежат каждому из этих секторов. Далее открывается один сектор и вычисляются функция рассеяния точки (ФРТ) и оптическая передаточная функция (ОПФ) для идеально отъюстированных сегментов данного сектора и текущего их положения. В качестве минимизируемого при оптимизации функционала рассматривается следующая величина:

^ = Х|опф,1/т-опф,

74

(13)

'.7

где ОПФ,,,! — текущее, а ОПФ,_,ц — целевое значение комплексной амплитуды у-й пространственной частоты.

При оптимизации следует пользоваться перестраиваемым источником излучения со спектральным диапазоном шириной не менее октавы. Сначала функционал минимизируется для наибольшей длины волны, затем длина волны постепенно уменьшается, что позволяет выявить смешения сегментов вдоль оптической оси, кратные половине длины волны, и компенсировать их. Пусть, для примера, есть два сегмента, смещенные друг относительно друга на расстояние ;;;Ао/2 вдоль оптической оси. Тогда в фокусе будет происходить интерференция полей, отраженных от этих двух сегментов пучков, которая в зависимости от длины волны А. перестраиваемого лазера будет приводить то к максимуму, то к минимуму в фокальном пятне:

Е — -н Е~) ®

ехр

(2ГО/

I Ь

|+ехр

2ГО(/ + /;Л0)

= Ех ехр

2тп| / +

ехр -

кппХп

+ ехр -

( птгКп

( тпХп сое --

I А,

(14)

Поэтому, если сегменты смещены вдоль оппиеской оси, при перестройке длины волны интенсивность в фокусе будет осциллировать как сумма по сегментам к от сов(сош1*/А.+ф*), и внешний вид ФРТ и ОПФ будет качественно меняться при перестроении длины волны. Когда все сегменты формируют единую поверхность, ФРТ и ОПФ будут сохранять свою форму, изменяя лишь свои размеры, интенсивность в фокусе при этом будет изменяться, без осцшшяций [13—15].

После того как длина волны уменьшилась до минимального значения, ее увеличивают чуть более чем в два раза, после чего снова плавно уменьшают до минимума, производя на каждом промежуточном значении оптимизацию положения сегментов. При более чем двукратном увеличении длины волны смещение сегмента вдоль оптической оси в терминах числа полуволн уменьшится вдвое. Оптимизация положения сегментов проводится методом покоординатного спуска или симплекс-методом и завершается, если функционал не превосходит заданное значение е. После того как функционал текущего сектора приведен к минимуму, сегменты данного сектора закрываются диафрагмой и открываются сегменты следующего сектора. Два из этих сегментов (входящие в состав предыдущего сектора) уже были выставлены с необходимой точностью, поэтому оптимизация будет затрагивать только положение трех других сегментов сектора. При открытии последнего сектора все сегменты в нем, кроме одного, уже должны формировать единую поверхность зеркала. С выставлением этого сегмента процесс оптимизации завершается [14, 15].

9. Лукин В. П. Формирование оптических пучков и изображений на основе применения систем адаптивной оптики УФН. 2014. Т. 184, № 6. С. 599—640.

10. Александров П. С. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Наука, 2009. 512 с.

11. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Наука, 2015. 445 с.

12. Рабыш А. Ю., Демин А. В. Алгоритм компоновки составных объектов (на примере зеркала) // Научно-технический вестник СПБ НПУ ИТМО. 2008. № 58. С. 31—36.

13. Абрамочкин Е. Г., Вопостников В. Г. Современная оптика гауссовых пучков. М.: Физматлнт, 2010. С. 180—184.

14. Иванова А. В. Компьютерные методы оптимизации оптических систем. СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. 114 с.

15. Иванова Т. В., Вознесенская А. О. Введение в прикладную и компьютерную оптику. Конспект лекций. СПб: НИУИТМО. 2013.99 с.

Евгений Николаевич Сечак Наталия Феликсовна Ерхова —

Алексей Олегович Колесников —

Сведения об авторах

аспирант; Университет ИТМО, Инженерно-исследовательский факультет; E-mail: [e-mail]

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Астрокосмический центр, лаборатория .Астрофизика высокого разрешения": мл. научный сотрудник: E-mail: [e-mail]

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Отдел спектроскопии отделения оптики: мл. научный сотрудник; E-mail: [e-mail]

Поступила в редакцию 24.09.2021: одобрена после рецензирования 26.10.2021: принята к публикации 30.12.2021.

REFERENCES

1. Ermolaeva E.V., Zverev V.A, Filatov A.A. Adaptivnaya optika (Adaptive Optics), St. Petersburg, 2012, 297 p. (in Russ.)

2. Dvorkin B.A., Dudkin S.A. Geomatics, 2013, no. 2, pp. 16-38. (in Russ.)

3. Sychev V.V. Science and Education of Bauman MSTU, 2015, no. 1, pp. 101-113. (in Russ.)

4. Baklanov A.I. Vestnik of the Samara State Aerospace University (Vestnik SSAU), 2010, no. 2, pp. 80-91. (in Russ.)

5. Malamed E.R. Konstmirovaniye opticheskikh priborov kosmicheskogo bazirovaniya (Design of Space-Based Optical Instruments), St. Petersburg, 2002, 291 p. (in Russ.)

6. Shanin O.I. Adaptivnyye opticheskiye sistemy korrektsii naklonov. Rezonansnaya adaptivnaya optika (Adaptive Optical Systems for Tilt Correction. Resonance Adaptive Optics), Moscow, 2013, 296 p. (in Russ.)

7. Terebizh V.Yu. Sovremennyye opticheskiye teleskopy (Modern Optical Telescopes), Moscow, 2005, 65 p. (in Russ.)

8. Avanesov G.A. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2020, no. 1(17), pp. 68-79.

9. Lukin V.P. Physics-Uspekhi, 2014, no. 6(57), pp. 556-592.

10. Aleksandrov P.S. Kurs analiticheskoy geometrii i lineynoy algebry (Course in Analytic Geometry and Linear Algebra), Moscow, 2009, 512 p. (in Russ.)

11. Beklemishev D.V. Kurs analiticheskoy geometrii i lineynoy algebry (Course in Analytic Geometry and Linear Algebra), Moscow, 2015, 445 p. (in Russ.)

12. Rabysh A.Yu., Demin A.V. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2008, no. 58, pp. 31-36. (in Russ.)

13. Abramochkin E.G., Volostnikov V.G. Sovremennaya optika gaussovykh puchkov (Modern Gaussian Beam Optics), Moscow, 2010, pp. 180-184. (in Russ.)

14. Ivanova A.V. Komp'yutemyye metody optimizatsii opticheskikh sistem (Computer Methods for Optimizing Optical Systems), St. Petersburg, 2010, 114 p. (in Russ.)

15. Ivanova T.V., Voznesenskaya A.O. Vvedeniye v prikladnuyu i komp'yutemuyu optiku (Introduction to Applied and Computer Optics), St. Petersburg, 2013, 99 p. (in Russ.)

Data on authors

— Post-Graduate Student; ITMO University, Faculty of Engineering Research; E-mail: [e-mail]

— P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS, Astro Space Center, Laboratory of High-Resolution Astrophysics; Junior Researcher; E-mail: [e-mail]

— P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS, Spectroscopy Department of Optics Division; Junior Researcher; E-mail: [e-mail]

Evgeny N. Sechak Nataliya F. Erkhova

Aleksey O. Kolesnikov

The article was submitted 24.09.2021; approved after reviewing 26.10.2021: accepted for publication 30.12.2021.

ВОПРОСЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

серия

ТЕХНИКА ТЕЛЕВИДЕНИЯ 2021 вып. 2

УДК 621.397.13

Доктор техн. наук А. В. Демин; Е. Н. Сечак; кандидаты техн. наук Г. С. Полищук и А. В. Денисов

ИМИТАЦИОННЫЙ ПОЛИГОН ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Получены выражения для моделирования оптико-электронной системы дистанционного зондирования поверхности Земли на имитационном полигоне методом просмотра активностей её функциональных блоков с целью получения прогнозной оценки значения линейного разрешения на местности в реальном масштабе времени с учётом влияния оптико-физических и кинематических параметров процесса зондирования. Приведены результаты моделирования экспериментального образца оптико-электронной системы на имитационном полигоне.

Ключевые слова: оптико-электронная система, дистанционное зондирование, имитация, полигон, оптико-физические параметры, кинематика, летательный аппарат

Введение

Создание высокоинформативных оптико-электронных систем дистанционного зондирования с борта летательного аппарата (ОЭСдзла) является многоэтапным и многофакторным процессом. Однако научно-технические проблемы, возникающие прп этом, требуют необходимости проведения большого объёма теоретических и экспериментальных исследовании при проекгировашш, производстве и испытаниях, результаты которых отвечали бы реальным условиям эксплуатации и современным требованиям по информативности и достоверности, предъявляемым к ОЭСдзла- Экспериментальные исследования и натурные испытания ОЭСдзла- это, как правило, продолжительный н дорогостоящий процесс. Поскольку невозможно просчитать и экспериментально проверить все возможные ситуащш, возникающие при зондировании, то минимизация невязки расчётных и реальных параметров

ОЭСдзла является важной задачей при создании целевой аппаратуры (ЦАла), решение которой возможно двумя путями [1]-[11]:

• по результатам экспериментальных исследований и натурных нспыта-ний завышать исходные проектные данные и ужесточать технологические допуска, что в итоге приводит к увеличению сроков создания и увеличению проектной себестоимости ОЭСдзла-

• вести проектирование и изготовление ОЭСдзла с применением технологии имитационных или виртуальных полигонов, что позволяет достигать функциональной и параметрической оптимальности ОЭСдзла относительно массогабарнтных ограничений и условий функционирования без увеличения проектной себестоимости за счёт применения компьютерных технологий с развитым функциональным и общесистемным математическим обеспечением высокого уровня совместно с натурным экспериментальным сопровождением в процессе проектирования и при испытаниях.

Для реалнзащш технолопш имитационного полигона (1Ш) при проектировании и изготовлении ОЭСдзла необходимо, помимо методик работы на ПП, разработать компьютерно-ориентированную математическую модель. Функционирование ОЭСдзла обеспечивается одновременным действием законов из ряда областей наук, таких как оптика, механика, теория систем и управления, электротехника, электроника, термодинамика и вычислительная техника. То-есть ОЭСдзла является симбиозом функциональных блоков с различной метрикой, совокупность которых обеспечивает решение задачи адекватного отображения зондируемой поверхности (ЗП) с учётом внешних оптпко-физическнх факторов, кинематики движения изображения ЗП в фокальной плоскости ОЭСдзла и других внешних факторов. Поэтому создание единой математической модели ОЭСдз ла в аналитическом виде практически невозможно, но если структурировать ОЭСдзла на функциональные блоки, в каждом из которых своя пространственно-временная метрика, то представление их в виде отдельных компьютерно-ориентированных математических моделей позволяет создать совокупную модель, в которой входным параметром является излучение, а выходным - отображение ЗП в удобной для восприятия форме и пространственно-временной метрике. Сущность методологии такого подхода состоит в замене ОЭСдзла его модельным образом (ОЭСне а1 ОЭСд/ог/е/), изучение которого осуществляется вычнслнтельно-логпческпмн алгоритмами на компьютере и базе данных, полученных в ходе экспериментальных исследований функциональных блоков ОЭСмойе! в целом, т. е. реалнзащш совокупности численных методов при компьютерном и натурном моделировашш на ИП без существенных финансовых затрат за счёт применения технолопш имитационного моделирования методом просмотра активностей функциональных блоков изделия [12]—[21].

В соответствии с теорией линейных систем, к которым относится и

ОЭСдзла, результирующее действие её представнмо как произведение функщш

и

передачи модулящш (ФПМ) функциональных блоков (?юэс =П0 с единой

/=1

пространственно-временной метрикой, а сам процесс преобразования пространственно-частотной и энергетической информащш о поверхности Земли

Т, г.г, 1у, М,) в образ для последующего анализа Собраз зп(Х/, Т, Ь\ Д1') можно представить в виде (1), где Д£?юэс) - фуикцнонал преобразования

Важными параметрами ОЭСдзла являются оптическая передаточная функция, линейное разрешение, спектральное разрешение и регистрируемый градиент температур, характеризующие эффективность работы целевой аппаратуры ЛА, предназначенные для адекватного отображения ЗП. Оптическая передаточная функция (ОПФ), как функция пространственных частот (гх, ту), является комплексной функцией - частотно-контрастной характеристикой Г(ул, гу) и частотно-фазовой характеристикой ф(гх, ту). ХЬшейное разрешение на зондируемой поверхности (ЛРМ - А1оэс) отражает геометрическую дискретность отображения ЗП в фоточувствительной зоне регистращш ОЭСдзла. Спектральное разрешение (Д^) отражает дискретность пространственно-спектральной характеристики ЗП _/\(х,у,к). Регистрируемый градиент температур (ДТ) является термографическим отображением ЗПД.г, у, ГД). На адекватность отображения ЗП влияют оптико-физические и кинематические параметры процесса дистанционного зондирования. Следует различать значения вышеуказанных параметров, полученных на этапе проектирования расчётным путём и в результате эксплуатащш ОЭСдзла- В этой связи применение компьютерных технолопш в сочетании с экспериментальными исследованиями, т. е. применение ИП на этапе создания ОЭСдзла, позволяет улучшить качественные и количественные показатели и уменьшить временные и финансовые затраты [12]-[27].

В настоящей работе представлен алгоритм имитационного моделирования оптико-электронной системы дистанционного зондирования поверхности Земли с борта летательного аппарата на имитационном полигоне методом активирования функциональных блоков ОЭСдзла в различных оптико-физи-ческнх н кинематических условиях зондирования, реализация которых в полном объёме в процессе цеховых и натурных испытаниях крайне затруднена.

Оптическая система ОЭСдзла решает задачу аффинного преобразования пространственно-энергетических параметров ЗП в пространство пх регистращш в заданном спектральном интервале излучения (^тах- • Атт), а степень отклонения от этого преобразования и есть адекватность отображения ЗП (или качество изображения). При этом Д£оэс, определяющая геометрическую дискретность зондируемой поверхности, решает задачу геометрической детализации ЗП. на точность отображения которой влияют оптико-физические параметры атмосферы и оптической системы ОЭС и кинематика движения изображения ЗП. На рис. 1 приведены схема формирования облучённости фотозоны ОЭСдзла-

Рассмотрим процесс получения прогнозной оценки ДХоэс методом активирования блоков моделируемой системы на имитационном полигоне и

0)

Имитационный полигон

постоянная; ас - минимально разрешаемый элемент анализируемой сцены; С] - структурная постоянная атмосферы; X - дшша волны излучения; остальные символы - коэффициенты регресаш на различных пространственных частотах; £)опф обО'х, уу) - онпшеская передаточная функция объектива; 7чкхобО'Л, ту) -частотно контрастная характеристика объектива; срчкхобО'*, гу) - частотно фазовая характеристика объектива; тд, гу - пространственные частоты.

3. Имитатор параметров ФПУоэс при полосовой съёмке [22], [26]:

РЖ

Вх. зр_лин

Е. D. I Iс

фз фпу ср 00

(4)

где Ad - площадь фотозоны ФПУ; А/ЭТр - полоса пропускания электронного тракта ОЭС; SBX зр лин - площадь входного зрачка ОЭС при полосовой съёмке; Тср(А.), Тоб(^) - спектральный коэффициент пропускания среды и объектива в диапазоне (А.1..А2); -£фз - облученность фотозоны ФПУ в диапазоне (Х1..А2); ¿}фпу - средняя удельная обнаружигельная способность ФПУ по диапазону (Ai кг).

4. Математические модели кинематики движения JIA (рис. 3), зондируемой поверхности и движения изображения, закладываемые в имитаторы, представлены выражениями (5)-(8). На рис. 3 и в выражениях (5)-(8) приняты обозначения: Гхла, Угла, Vzjia - скорости движения ЛА; Ухист, Уупст, Vzпст-скорости движения подспутниковой точки; Vxф, Ууф, Vz<t, - скорости движения изображения ЗП в фокальной плоскости объектива ОЭСдзла; ®i(aв) -угловая скорость тангажирования для компенсации сдвига изображения [19], [20], [21]. OXYZ - фотограмметрическая система координат, связанная с ЗП;

OY- совпадает с направлением VY ; Угла щ-тъ - путевая скорость ЛА на орбите;

S - узловая точка объектива; у - гравитационная постоянная; Г>зем - угловая скорость вращения Земли; /?зем - радиус Земли; Норб - базовая высота полёта ЛА; р - фокальный параметр орбиты; е -эксцентриситет орбиты; и, и - наклонение плоскости орбиты ЛА к плоскости экватора Земли; fob - фокусное расстояние объектива ОЭСдз ла; у - продольная координата вдоль столбца ФПУоэс; х -поперечная координата вдоль строки ФПУоэс; D, Do - расстояния до точки наблюдения на ЗП и вдоль оптической оси ОЭСдзла до той же точки; со г, (Ок,(Ор -проекции вектора угловой скорости ЛА относительно инерцнального пространства на оси, связанной с правой системой коорд1шат006Х0б1^16206, центр

Рис. 3. Схема зондирования

Локальная mocKocmt

|япрявл»нне полеп!

иолоса юцдцровяцш

для положения в надир и без тангажированпя прп стандартных оптнко-фпзическнх параметрах атмосферы для полосовой съёмки.

Эксперимент № I

лрм.м (700км)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.$ Ой

- Впуаьтат мгле нех>нянин (ПХ)

- Рпужтага чнс липа расчетов (ПХ)

- Результат моделирования (МС> гУ.у атвшчислшныл рдсчетоя ■ \К I

Эксперимент N>2 трм.и (300 клО

2.88

\ 2.«

*

1.94

„V 1.73 1.4* 1.62

0.76 0.60

0Л 0.2 0.3 0.4 0.5 О-в,

- Роулылты ыо^слмроахюи (ПХ>

- Рс»>ЛМ»ТЫ ЧИС1СЯНЫХ расч<тоа(ПХ)

- Раз/льготы ыоэаднроваямСМС) Результаты ■шгютых расчетов |МС >

Эксперимент

лрм.м 1500км)

3.17 3.05 2.»

¿.12 1.5М

1.72 1.60 1.44

1.25 % 1.12 0.97

— Рс«улы«1ы ио.*л1Ц>овлш1(ПХ|

— Результаты чкс зсякых расчетов (ПХ) —Результат ыолдировани* (МО

Рстульгпы '1ИСХИЮ4Х рае-ктов 1\к >

Контраст о, г; осш 201,9

контраст 0.7; осш 203,6

Контраст 0,7; ОСШ 204,8

Рис. 5. Результаты моделирования для получения оценки ЛРМ На рис. 6 представлена зависимость ЛРМ от величины проекщш на местности в зависимости от угла визирования и размера пиксела, что позволяет определить/об для базовой орбиты полёта с учётом влияния ФПУ и оптико-физических факторов при съёмке в надир.

Линейное разрешение (м)

Размер пикселя (мкм)

Угол отклонения (рад)

Рис. 6. Зависимость ЛРМ от величины проекщш пиксела на местности и угла визирования ав

Заключение

На основашш анализа научно-технической литературы и проведённого моделирования получены следующие результаты:

1. Определён принцип моделирования оптико-электронных систем, относящихся к классу линейных систем, на имитационном полигоне с применением компьютерных технолопш в сочетании с экспериментальными исследованиями для получения прогнозной оценки характеристик ОЭС в реальном масштабе времени с учётом влияния оптико-физических и кинематических параметров процесса дистанционного зондирования.

2. Определены выражения (1)-(9) для моделирования оптико-электронных систем дистанционного зондирования поверхности Земли на имита-

ционном полигоне для получения прогнозной оценки значений линейного разрешения на местности в рабочем спектральном диапазоне в реальном масштабе времени.

3. По результатам моделирования экспериментального образца ОЭСдзла (рис. 4 а) на имитационном полигоне с целью определения прогнозной оценки ЛРМ (рис. 6) были уточнены требуемые оптические характеристики объектива и откорректирована техническая документация.

Литература

1. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука / Р. Шеннон. -М.: Мир. 1978. 418с.

2. Демин, А. В. Имитационные модели информационно-измерительных и управляющих систем / А. В. Демин, Н. С. Копорский // Известия вузов. Приборостроение. 2007. ТАЯ, № 6. С. 30-34.

3. Демин, А. В. Имитационное моделирование информационно-измерительных и управляющих систем; монография / А. В. Демин, Н. С. Копорский. Университет ИТМО. 2007,141 с.

4. Бусленко, Н. П. Моделирование сложных систем /Н. П. Бусленко. - М: Наука, 1978. 400с.

5. Максимей, И. В. Имитационное моделирование на ЭВМ/ И. В. Максимей. - М.: Радио и связь. 1988. 232 с.

6. Демин, А. В. Оптико-цифровые системы космического назначения /А. В. Демин, А. В.Денисов, А. В. Летгновский // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2010. № 3. С. 51-59.

7. Свиридов, К. Н. О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» (№1,2,3) / К. Н. Свиридов // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2017. - Т. 4, Вып. 2. С. 20-28.

8. Демин, А. В. Применение методов математического моделирования при прогнозировании состояний технических систем.; уч. пособие. ч.1 / А. В. Демин, С. П. Дмитриева СПб: Университет ИТМО, 2014. - 94 с.

9. Демин, А. В. Модель прогнозирования состояния многопараметрической технической системы / А. В. Демин, С. П. Дмитриева // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2015. Т. 58. №11. С. 920-926.

10. Денисов, А. В. Моделирование оптико-электронных систем космического назначения /А. В. Денисов//Известия вузов. Приборостроение. 2015. №11 (58). С. 882-889.

11. Самарский, А. А. Математическое моделирование: Идеи. Методы, Примеры; 2-е изд. испр. /А. А. Самарский, А. П. Михайлов. -М.: Физмалит. 2001. 320 с.

12. Веселое, Ю. Г. Математическая модель аэрофотосистемы на основе фоточувст&миельных приборов с переносом заряда / Ю. Г. Веселое, В. А. Глушко, А. С. Молчанов // Наука и образование. Научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2013. № 10. С. 219-230.

13. Демин, А. В. Имитационная модель системы приема и преобразования информации комплексов дистанционного зондирования Земли / А. В. Демин, А. В. Денисов // Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «А18-1Т'11»; научное издание в 4-х томах. - Геленджик-Дивноморское: Физматлит. 2011. С. 133-137.

14. Демин, А. В. Разработка динамической сцены для моделирования и анализа проектных решений оптико-цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли / А. В. Демин, А. В. Денисов // Южно-Сибирский научно-технический вестник. 2015. Вып.1 (9). С. 50-56.

15. Демин, A.B., Денисов, A.B. Разработка и исследование математической модели дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне /

A.В.Демин, А.В.Денисов // Сборник статей XLV международной научно-практической конференции № 4 (41) «Технические науки - от теории к практике». -Новосибирск: «СибАК». 2015. С. 100-106.

16. Замишн, В. В. Методы определения линейной разрешающей способности оптических и радиолокационных аэрокосмических изображений / В. В. Замишн // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2014. № 1. С. 43-51.

17. Свиридов, К. Н. О предельном инструментальном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» № 1, 2, 3) / К. Н. Свиридов // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2017. Т 4. Вып. 2. С. 20-28.

18. Орлов, П. Ю. Обзор алгоритмов оценки линейного разрешения на местности по космическим снимкам / П. Ю. Орлов, В. В. Некрасов. // АО «Корпорация «ВНИИЭМ» 2016. С. 116-130.

19. Бакланов, А. И. Математическая модель датчика скорости движущегося изображения на основе ПЗС ВЗН для систем дистанционного зондирования Земли. // Труды Procttdings IIA. Отделение микроэлектроники и информатики. ФГУП НПО «Оптико-электронные комплексы и системы». Москва, Зеленоград. 2003. С. 144-153.

20. Петрищев, В. Ф. Оптимальная программа сканирования оптико-электронного телескопического комплекса дистанционного зондирования Земли /В. Ф. Петрищев // Труды Procttdings IIA. Отделение микроэлектроники и информатики. ФГУП НПО «Оптико-электронные комплексы и системы». Москва, Зеленоград 2003. С. 101-122.

21. Кирдяшкина, А. В. Сдвиг оптического изображения, вызываемый погрешностями работы бортового комплекса управления К.-1 ДЗЗ /А. В. Кирдяшкина,

B. Ф. Петрищев // Труды Procttdings IIA. Отделение микроэлектроники и информатики. ФГУП НПО «Оптико-электронные комплексы и системы». Москва, Зеленоград. 2003. С. 123-140.

22. Тарасов, В. В. Инфракрасные системы смотрящего типа / В. В. Тарасов, ЮГ. Якушенков. -М: Логос. 2004. 444 с.

23. Демин, А. В.Волновой алгоритм для работы с линейкой ФПЗС / А. В. Демин, И. А. Перл // Научно-технический вестник СПбГУИТМО. 2010. №3. С. 19-25.

23. Веселое, Ю. Г. Математическая модель аэрофотосистемы, построенной на основе фоточувствительных приборов с переносом заряда / Ю. Г. Веселое, В. А. Глушко, А. С. Молчанов //Наука и образование. Эл. № ФС77-48211 Научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. №10 2013. DOI: 10.7463/1013.0619667

25. Батраков, А. С. Математическая модель для прогнозирования линейного разрешения космических оптико-электронных систем дистанционного зондирования /А. С. Батраков, А. Ю. Анатольев // Оптический журнал. Т. 67. № 7. 2000. С. 92-99.

26. Торшина, И. П. Выбор приёмника излучения при проектировании оптико-электронного прибора /И. П. Торшина, Ю. Г. Якушенков. Из-во МИИГАиК. 2017. 58 с.

27. Демин, А. В. Имитационное моделирование систем наведения / А. В. Демин, Н. С. Копорский //Изв.вузов. Приборостроение. 2006. Т.49. № 6. С. 30-34.

28. Черногубов, А. В. Оценка линейного разрешения на местности для систем дистанционного зондирования из космоса / А. В. Черногубов, А. В. Денисов, Д. А. Капитонов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2021. Вып. 1. С. 44-49.

Статья поступила 10 апреля 2021 г.

ВОПРОСЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

серия

ТЕХНИКА ТЕЛЕВИДЕНИЯ 2021 вып. 4

УДК 520.2.03(062) Е. Н. Сечак, А. А. Чистяков, Г. И. Вахрамеев

РАЗРАБОТКА ДВУХКАНАЛЬНОЙ СХЕМЫ КОНТРОЛЯ СЕГМЕНТИРОВАННЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА1

Рассмотрен вариант построения схемных решений устройств для позиционирования сегментов составного зеркала, обеспечивающих контроль состояния зеркала телескопа и корректно ошибок в процессе эксплуатации в водимом диапазоне длин волн. Исследованы несколько водов схем контроля для параболических и сферических зеркал. Предложена схема контроля составного зеркала в процессе эксплуатащш.

Ключевые слова: адаптивная оптика, сегментированное зеркало, юстировка, фазирование, схема контроля зеркала

Развитие бортовых оптических систем наблюдения определяется в первую очередь требованиями повышения детальности изображешш или их разрешения. Первый фактор традиционно решается путем увеличения диаметра входной апертуры телескопа. Увеличение апертуры сопровождается существенным увеличением массы оптико-электронного комплекса, что противоречит к требованиям по массе космических аппаратов [1]-[4].

Однако, выходом пз этой ситуации на примере радиолокационных изображающих систем является синтезирование апертуры телескопов для водимого диапазона. Адаптивные системы для успешного функционирования требуют ннформащпг об отличии формы волнового фронта от оптимальной. Для решения этой задачи служат датчики волнового фронта.

В радиодиапазоне теоретически изготовить и ввести в эксплуатацию телескоп, работающий в космическом пространстве, проще по сравнению с оптическим диапазоном, так как длина волны излучения достаточна для методов прямого детектирования фазы [1], [2].

Целью настоящей работы является разработка схемных решений устройств, обеспечивающих контроль состояния главного зеркала телескопа и

1 Работа выполнена под руководством д. т. н. А. В. Демина 70

Для юстировки составного зеркала необходимо с помощью перемещения сегментов зеркала свести изображения двух точек в поле микроскопа.

После этого необходимо перемещением детали вдоль оси Т обеспечить размер изображения точки близкий к дифракционному размеру кружка Эри, что будет свидетельствовать о правильной настройке отрезка (фокусировки). Далее при помощи наклона а и поворота р производится совмещение двух точек в центре поля зрения микроскопа.

Для обеспечения фазировки необходимо использовать максимально доступное увеличение и минимальный размер точечной диафрагмы. При смене объектива производится фокусировка на изображение точки при помощи перемещения микроскопа вдоль оптической оси и производится совмещение двух дифракционных точек [5]-[7].

Контроль формы поверхности параболического зеркала

В светосильных объективах применение сферических поверхностей недопустимо. Причиной тому является сильная сферическая аберрация. Для её исправления используются асферические поверхности, применение которых существенно усложняет изготовление и юстировку сегментированного объектива. В отличии от сферической поверхности асферическую поверхность необходимо контролировать из фокуса в схеме с применением плоского зеркала (рис. 3).

Плоскость предмета и изображения Контрольное зеркало Сегменты параболоида

Приемник АК-микроскоп

ш и

I ■

00 * гт *

■е-О о т ■в- ----

1

1

■/- я

150 354

504

Рис. 3. Схема контроля параболического зеркала Юстировку необходимо проводить в шести осях координат (рис. 4). В отличии от первого случая, здесь для обеспечения юстировки так же необходимо задействовать сдвш вдоль горизонтальной оси X., сдвш вдоль вертикальной оси У и поворот вокруг геометрической оси у. Контрольное зеркало также снабжается механизмами перемещения для наклона и поворота.

Для выставления контрольной схемы необходимо установить плоское зеркало вертикально, АК-микроскоп устанавливается в соответствии с отрезками, указанными на схеме. После этого устанавливается первый сегмент

зеркала. Крайне важно соблюсти положение сегмента зеркала относительно оптической оси микроскопа. Для этого на задней поверхности сегмента (при изготовлении) указывают направление в сторону оптической осн. Это позволяет настроить угол поворота детали у. Также задняя поверхность сегмента изготавливается перпендикулярно осн параболоида. Это позволяет использовать автоколлимационную трубу для настройки поворота а и наклона р сегмента [2], 5], [6], [8].

0 -6"' " ъ

Рнс. 4. Схема смещения сферического сегмента

При установке сегмента зеркала необходимо добиться точного позиционирования по осн X от оптической оси схемы контроля, и в соответствии с фокусными расстояниями, в соответствии с рис. 3. Когда изображение окажется в поле зрения микроскопа, с большой долей вероятности, что оно будет искажено аберрацией типа «кома». Для устранения аберрации типа «кома» необходимо произвести перемещение сегмента зеркала вдоль оси X в сторону «хвоста» и скорректировать положение фокуса детали по оси 2, выставляя необходимый угол р. После устранения комы необходимо устранить аберрацию типа «астигматизм», путём исправления положения сегмента, перемещая его вдоль оси У и корректируя угол вертикального наклона сегмента а [б], [8].

В результате юстировки дифракционные точки от двух сегментов соединятся. В этом случае необходимо изменить увеличение микроскопа, и уменьшить диаметр точечной диафрагмы для обеспечения тонкой юстировки и фазнровкп.

Контроль сегментированного зеркала в процессе эксплуатации

Для формирования изображения удалённого объекта необходимо знание амплитуды и фазы световой волны, исходящей от каждой точки объекта наблюдения. Тогда амплитуда (квадрат модуля комплексной функции, описывающей световую волну) излучения, усреднённого по поверхности объекта, соответствующей площади проекции элемента разрешения (пикселя) оптической системы на объект. Фаза волны, а точнее - относительная фаза (разность фаз) светового потока от каждых из двух зон (площадок) на поверхности объекта, соответствующих проекции двух соседних элементов приемника на объекте.

Топографические методы регистрации фазы волновых фронтов в нашем случае мало пригодны, так как они предполагают сначала регистрацию бегущей или стоячей волновой картины, образованной опорной и объектной волнами н затем измерение относительной фазы волновых фронтов.

Другим обстоятельством, выгодно отличающим оптические бортовые системы является их «многоканальностъ». В большинстве систем соседние элементы приёмника изображения не зависимы друг от друга (при достаточном качестве оптики) и каждый образует независимый канал переноса оптического излучения от одиночной площадки поверхности объекта на одиночный элемент приёмника. Таким образом, относительная фаза от элемента к элементу приёмника не зависит от излучения в соседнем канале, причём угловая апертура наблюдения в одиночном канале очень мала и сравнима с угловой апертурой наблюдения звёздных объектов в звёздный интерферометр Майкельсона. Осложняющим обстоятельством является требование по когерентности излучения от объекта наблюдения и излучения опорной волны (нлн бортового гетеродина). Однако, значительная дистанция от приёмника до объекта, узкая угловая апертура наблюдения и независимость каналов наблюдения позволяют представить оптическую систему как «сумму большого количества, равного числу каналов системы, интерферометров Майкельсона», при условии введения в систему элемента, осуществляющего модуляцию фазы волны. При этом требования высокой когерентности снимаются [5], [9], [10].

Синтез оптической апертуры возможен двумя путями: «физический» синтез, аналогичный синтезу апертуры в радиофизике и «технический» синтез, то-есть конструирование реальной, а не виртуальной, апертуры нз отдельных блоков, элементов и систем.

В этих условиях, оптическую систему (каждый канал) можно рассматривать как некую сумму интерферометров Майкельсона, причём выходом каждого из интерферометров может быть либо интерференционная картина с пространственной частотой, на которой передаётся фазовая информация волны от объекта. Либо интерференционная картина с временной модуляцией, которая несёт информацию о фазе объектной волны. Как известно из теории связи, эти представления (пространственное и временное) эквивалентны. На этом основаны современные методы измерения функций передачи контраста (ЧКХ или МПФ) оптических систем, где вместо пространственной модуляции волнового поля на входе системы (миры различных пространственных частот), используется временная модуляция потока сканирующими зрачок с разными скоростями зеркальными барабанами со щелью.

В нашем случае, вместо разнесения в пространстве двух апертур интерферометра с получением пространственной интерференционной картины и вычислением по её шагу фазы волнового поля, мы используем одну апертуру, в которой осуществим временную интерференцию, сдвинув часть объектного

волнового фронта по временной частоте (длине волны). В основе этого предложения лежит модификация интерферометра бокового сдвига.

Работа интерферометра основывается на теореме Ван-Циттерта-Цернике, которая утверждает, что некогерентный излучатель создаёт на расстоянии Ь в однородной среде квазиоднородное поле с интенсивностью Ао и функцией пространственной когерентности (ФПК), представляющей собой спектр яркости объекта [10]:

Al(R--)Al(R + ~) -ikqRr M{R,r) =-2-2_ = е L Jjeiß^-'^ß

А

(1)

где q - волновое число, 0(ß) - угловое распределение интенсивности в плоскости излучателя (объекта) с условием нормировки ff 0(ß)rfß = 1, Аз(х, у) - поле

в плоскости входного (промежуточного зрачка). Поле на выходе интерферометра равно:

1

(2)

На выходе интерферометра создаётся интерференционная картина

с интенсивностью:

А1 (г) = (1 + p(2r) cos(6(2r) + 2qar))

(3)

где р и 9 - модуль и фаза ФПК входного поля, или спектр объекта, г = (.г, у), а = (я,, ау).

Из формулы (3) изображение может быть восстановлено преобразованием Фурье. Преимуществами такого построения системы заключаются в следующем:

• ОПФ системы (при некогерентном освещении) равна до границы (до дифракционного предела) единице (как в когерентной системе).

• глубина резкости не ограничена.

Расчёт разрешающей способности В ходе проведения экспериментальных работ объектом исследования было выбрано сегментированное зеркало со следующими параметрами и условиями исследования:

диаметр сегмента зеркала, м рабочая длинна волны, м юстнровочная длина волны, м фокусное расстояние зеркала, м