Разработка методов и аппаратуры для исследования световозвращательных характеристик оптико-электронных средств в ИК диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Степанов, Родион Олегович

• Степанов, Родион Олегович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанов, Родион Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОВОЗВРАЩАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В СРЕДНЕВОЛНОВОМ И ДЛИННОВОЛНОВОМ ИК ДИАПАЗОНАХ СПЕКТРА. П

1.1. Анализ световозвращательных характеристик оптико-электронных средств ИК диапазона.

1.1.1. Энергетические световозвращательные характеристики оптико-электронных средств.

1.1.2. Пространственно-частотные световозвращательные характеристики оптико-электронных средств.

1.1.3. Спектральные световозвращательные характеристики оптико-электронных средств.

1.1.4. Поляризационные световозвращательные характеристики оптико-электронных средств.

1.2. Разработка методики расчета световозвращательных характеристик ОЭС ИК диапазона, основанной на использовании их функции рассеяния. ^

1.3. Разработка методик расчета световозвращательных характеристик ОЭС ИК диапазона, основанных на использовании конструктивных параметров их оптических систем.

1.3.1. Методика расчета световозвращательных характеристик зеркально-линзовых световозвращателей.

1.3.2. Методика расчета световозвращательных характеристик тетраэдрических световозвращателей.

1.4. Исследование возможности использования эталонных тепловых излучателей для имитации характеристик ретроотраженного излучения.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕТОВОЗВРАЩАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В ИК ДИАПАЗОНЕ.

2.1. Аналитический обзор существующих методов и аппаратуры измерения световозвращательных характеристик оптико-электронных средств.

2.1.1. Натурный и полунатурный методы измерения световозвращательных характеристик.

2.1.2. Анализ существующей аппаратуры для измерения световозвращательных характеристик.

2.2. Разработка функциональной схемы аппаратуры для измерения световозвращательных характеристик оптико-электронных средств в ИК диапазоне.

2.2.1. Разработка функциональной схемы измерительной аппаратуры.

2.2.2. Обоснование конструкции эталонного световетовозвращателя.

2.3. Разработка методики измерения световозвращательных характеристик оптико-электронных средств в ИК диапазоне. Ю

2.3.1. Разработка методики относительных измерений световозвращательных характеристик оптико-электронных средств.

2.3.2. Анализ погрешностей разработанной методики измерения световозвращательных характеристик оптико-электронных средств.

2.4. Обоснование технических требований к макетному образцу аппаратуры измерения световозвращательных характеристик оптикоэлектронных средств ИК диапазона.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕТОВОЗВРАЩАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ИК ДИАПАЗОНА.

3.1. Разработка макетного образца измерительного стенда.

3.1.1. Расчет оптической системы макетного образца измерительного стенда.

3.1.2. Анализ влияния негомоцентричности пучка рабочего лазера макетного образца измерительного стенда на угловую расходимость зондирующего излучения.

3.1.3. Разработка методики светоэнергетического расчета оптико-электронной системы макетного образца измерительного стенда.

3.1.4. Разработка конструкции макетного образца измерительного стенда.

3.2. Экспериментальные исследования световозвращательных характеристик оптико-электронных средств ИК диапазона.

3.2.1. Измерения световозвращательных характеристик оптико-электронных средств ИК диапазона и анализ полученных результатов.

3.2.2. Экспериментальное исследование характеристик теплового имитатора ретроотраженного излучения.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и аппаратуры для исследования световозвращательных характеристик оптико-электронных средств в ИК диапазоне»

В последнее время во многих перспективных системах вооружения и военной техники активно применяются оптико-электронные средства (ОЭС), работающие в среднем (СрИК, 3-5 мкм) и длинноволновом (ДлИК, 8-14 мкм) ИК диапазонах спектра, обеспечивающие возможность ведения боевых действий ночью и в условиях плохой видимости. Это вызвано интенсивным внедрением в указанные системы матричных приемников ИК излучения, позволивших отказаться от оптико-механических сканирующих устройств.

Расширение функциональных возможностей и повышение эффективности действия ИК приборов стимулировали проведение исследований по разработке методов и аппаратуры постановки помех и оказания противодействия этим приборам. В указанном аспекте первоочередной является задача дистанционного обнаружения ИК оптико-электронных средств (ОЭС) и их селекции от ложных целей.

Один из наиболее эффективных подходов к решению этой задачи связан с созданием аппаратуры обнаружения, принцип действия которой основан на использовании эффекта световозвращения.

Эффект световозвращения возникает при зондировании любого ОЭС излучением, соответствующим его рабочему спектральному диапазону, и проявляется в том, что независимо от угла подсвета, отраженное излучение распространяется в направлении, близком к направлению его падения.

При световозвращении ОЭС выступает в роли преобразователя состояния зондирующего излучения. Преобразующие свойства определяются световозвращательными характеристиками (СВХ), а само ОЭС рассматривается как световозвращатель (Свз). Именно СВХ определяют возможность и эффективность обнаружения ОЭС.

Исследования СВХ проводятся как в нашей стране, так и за рубежом.

Среди отечественных организаций, занимающихся такими исследованиями, следует отметить НИИ PJ1 МГТУ им. Н. Э.Баумана, ФГУП

Кбточмаш им. А. Э. Нудельмана», ФГУП «3 ЦНИИ МО РФ», ФГУП «НПО Астрофизика», ФГУП ГосНИИ ЛЦ РФ «Радуга», НПЦ «Транскрипт», МНПО «Спектр», а среди зарубежных - Electronics Command Research, Development and Engineering Center (США), CILAS (Франция).

Разработкам методов расчета и методик измерения СВХ в видимом и ближнем ИК диапазонах посвящены диссертационные работы А.А.Резунова, Н.В. Барышникова, И.В. Животовского. В этих работах исследуются пространственные, энергетические, поляризационные СВХ ОЭС указанного диапазона, разрабатывается аппаратура для их экспериментального исследования.

Вместе с тем, в указанных работах не рассмотрены специфические особенности проявления эффекта световозвращения в СрИк и ДлИК диапазонах. Более того, в доступных публикациях по данной тематике сведения о системных теоретических и экспериментальных исследованиях СВХ ИК ОЭС отсутствуют. Это, в свою очередь, затрудняет обоснование принципов и технических путей построения лазерной локационной аппаратуры, осуществляющей обнаружение ИК ОЭС и высокоточное наведение средств оптического противодействия.

В связи с этим тема диссертационной работы, связанная с разработкой методов и аппаратуры для исследования световозвращательных характеристик оптико-электронных средств в среднем и длинноволновом ИК диапазонах представляется весьма актуальной.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие научно-технические задачи:

1.Разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для расчета СВХ оптических систем ИК ОЭС, и проведение анализа СВХ различных типов ИК ОЭС и ложных целей в заданном спектральном диапазоне их работы;

2.Разработка методики измерения световозвращательных характеристик в СрИК и ДлИК диапазонах учитывающей особенности распространения ИК излучения при ретроотражении.

3. Исследование возможности использования эталонных тепловых излучателей типа черное тело для имитации характеристик излучения ретроотраженного от ИК световозвращателей.

4.Создание стенда для измерения СВХ в СрИК и ДлИК и проведение на нем цикла экспериментальных исследований СВХ современных РЖ ОЭС с целью формирования информационного банка данных их отражательных характеристик.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Степанов, Родион Олегович

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, позволяют сделать заключение о том, что в работе решена актуальная научно-техническая задача, обладающая научной новизной и имеющая большое практическое значение - созданы методики и аппаратура измерений световозвращательных характеристик оптико-электронных средств среднего и длинноволнового ИК диапазонов.

На основании полученных результатов сформулированы следующие выводы:

1 .Разработаны методики теоретических и экспериментальных исследований световозвращательных характеристик ОЭС ИК диапазона, и на их основе сформирован банк отражательных характеристик современных ОЭС и ложных целей в интересах создания лазерных тактических комплексов оптико-электронного противодействия.

2.Разработаны методики и программы расчета параметров индикатрис ретроотраженного излучения и ПСВ зеркально-линзовых ИК ОЭС, учитывающие характер отражения излучения от фото чувствительной поверхности фотонных и тепловых ИК приемников. Исследована форма спектральных характеристик ИК ОЭС и показано, что границы диапазона

2 2 значений их ПСВ составляют от 10 1— до 104 1—. ср ср

3.Создан алгоритм расчета СВХ потенциальных ложных целей - ТСВ, позволивший провести расчеты и исследования поляризационных характеристик, индикатрис ретроотражения и ПСВ призменных и полых ТСВ ИК диапазона, а также их спектральных характеристик. Обоснованы требования к материалам призменных ТСВ, обеспечивающих заданную эллиптичность и азимут поляризации при отражении линейно-поляризованного излучения.

4. Исследованы отражательные характеристики ТСВ из неоптических материалов и разработана конструкция металлического ТСВ ИК диапазона. Проведен сравнительный анализ его отражательных характеристик с характеристиками ТСВ из оптических материалов. Обоснована целесообразность использования в ДлИК диапазоне металлических ТСВ с погрешностью изготовления двугранных углов 5-10 угловых минут, ПСВ которых соизмеримы со значениями ПСВ ТСВ из оптических материалов

5. Разработаны функциональная схема экспериментальной установки и методика измерений ПСВ ИК ОЭС, основанная на использовании оригинального алгоритма цифровой обработки индикатрис ретроотражения, зарегистрированных матричными ФПУ. Проведены исследования погрешности разработанной методики измерения. Показано, что при использовании современных МФПУ с пороговым потоком порядка 10"11 Вт инструментальная погрешность измерения ПСВ в ДлИК не превышает 7% в 2 диапазоне от 1.5 до 104:—. ср

6.Исследованы особенности разработки эталонных Свз ИК диапазона. Разработана и изготовлена конструкция плоского эталонного Свз на основе кремния, обеспечивающего заданные значения ПСВ в диапазоне от 10 до ■105 в СрИК и от 1 до -104 в ДлИК.

7. Исследована связь СВХ ИК ОЭС с характеристиками эталонных тепловых излучателей типа АЧТ. Разработана методика использования теплового имитатора при измерении ПСВ ОЭС в качестве эталонного, отличающегося равномерной индикатрисой сформированного им излучения. Разработана и изготовлена конструкция теплового имитатора и проведены его экспериментальные исследования,

8.Создана экспериментальная установка для измерения ПСВ ИК ОЭС и проведен цикл экспериментальных исследований отражательных характеристик ряда современных ИК ОЭС, ложных целей, а также, созданных эталонных Свз. Результаты экспериментов подтверждают правильность теоретических положений, изложенных в работе, и позволяют сформировать информационный банк данных отражательных характеристик ОЭС ИК диапазона.

Результаты диссертационной работы использовались при проведении научно-исследовательских работ в НИИ PJIМГТУ им. Н.Э.Баумана.

Материалы диссертации опубликованы в 10-ти научных работах, в том числе, 2-х статьях, патенте на изобретение, 6-ти тезисах докладов на НТК и в научно-техническом отчёте по НИР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степанов, Родион Олегович, 2010 год

1. Муратов В.Р., Филимонов Ю.А., Ширанков А.Ф. О терминологии, связанной со световозвращающим излучением // Оптико-механическая промышленность. 1980. №3. С. 56-57.

2. Животовский И.В. Разработка и исследование лазерно-электронной системы измерения энергетических световозвращательных характеристик оптико-электронных приборов: Дис. .канд. техн. наук. Москва. 2005. 473 с.

3. Международный светотехнический словарь / Под ред. Д.Н.Лазарева.— М.:Наука, 1979. 278 с.

4. Заказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика. М.: Машиностроение, 1984. 184 с.

5. Барышников Н.В. Разработка пространственно-частотных методов и аппаратуры дистанционной лазерной селекции типов оптико-электронных приборов: Дис. .канд. техн. наук. Москва. 1987. 195 с.

6. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико — электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. 432 с.

7. Шерклиф У. Поляризованный свет. М.:Мир,1965. 238 с.

8. Горохов М.В. Разработка поляризационных методов и оптических приборов оперативной селекции ретроотражающих приборов :

9. Дис. .канд. техн. наук. Москва, 1984. -209 с.

10. П.Алеев P.M.,Иванов В.П.,Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. Казань. :Казан. Ун-т,2000, 252 р.

11. Mohamed Н., Manijeh R. Handbook of infrared detection technologies. Oxford: Elsevier, 2002. 518 p.

12. MIRIADS-miniature infrared imaging applications development system description and operation / C.R. Baxter et all. // Proceedings of SPIE. 2001. V. 4369. P. 129- 139.

13. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Новосибирск: Наука, 2003. 636 с.

14. Integrated imaging sensors/ J.S. Anderson et all. // Proceedings of SPIE.2001. V. 4369. P. 14-24.

15. Яковлев П.П., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий. М.: Машиностроение, 1987. 190 с.

16. Топорец А.С. Оптика шероховатой поверхности. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ие, 1988. 191 с.

17. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. М.: ВНИИМС, 1975. 13 с.

18. Справочник конструктора оптико — механических приборов / В.А. Панов и др. Д.: Машиностроение, Ленингр. отд ие, 1980. 742 с.

19. Карасик В.Е., Лазарев Л.П., Пахомов И.И. Обобщенная оценка отражающих свойств световозвращателей // Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской техники: Тез. докл. II Всесоюзной научно-техн. конф. Москва, 1979. С. 436-437.

20. Метод расчета световозвращательных характеристик телевизионных систем, работающих в инфракрасном диапазоне спектра / P.O.

21. Степанов и др. // Современное телевидение: Сборник трудов 17 — й Межд. научно-техн.конф. Москва, 2009. С. 136-139.

22. Geary J.M. Introduction to lens design with practical ZEMAX examples. Richmond.: Willmann-bell, 2002. 480 p.

23. Барышников H.B., Карасик B.E., Ширанков А.Ф. Методика проектирования тетраэдрического световозвращателя с заданными отражательными характеристиками. // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1991. Т. XXXIV, №5. с. 92-96.

24. Кравцов В.П., Сербии И.К. Уголковые отражатели. // Квант. Приборостроение. 1976. №5. С. 7-9.

25. Ритынь Н.Э. Оптические свойства уголковых отражателей // Оптико-механическая промышленность. 1981. № 1. С. 9—12.

26. Денисюк Г.В., Корнеев В.И. Дифракция Фраунгофера от уголкового отражателя с металлизированными отражающими гранями // Оптико-механическая промышленность. 1982. № 12. С. 1-2.

27. Воронкова Е.М. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965.335 с.

28. Карасик В.Е., Барышников Н.В., Степанов P.O. Исследование отражательных характеристик тетраэдрических световозвращателей в ИК диапазоне // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. 2010. №1. С. 3- 16.

29. Коротаев В.В., Панков Э.Д. Поляризационные свойства уголковых отражателей // Оптико-механическая промышленность. 1967. № 4. С. 1-5.

30. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 856 с.

31. Левшин B.JL Пространственная фильтрация в оптических системах пеленгации. М.: Советское радио., 1971. 213 с.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974. 832 с.

33. Peck R.E. Polarization properties of corner reflectors and cavities // Journal of the Optical Society of America. 1962. V. 52, № 3.P.253-257.

34. Chang R.F., Currie D.G., Alley C.O. Far-Field diffraction pattern for corner reflectors with complex reflection coefficients // Journal of the Optical Society of America. 1971 .V. 61, № 4.P.431-438.

35. Гуревич M.M. Фотометрия. JI.: Энергоатомиздат, 1983. 272 с.

36. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: МИР, 1978. 416 с.

37. Якушенков Ю.Г., Тарасова В.В. Инфракрасные системы смотрящего типа. М.: Логос, 2004.443 с.

38. ГосоргЖ. Инфракрасная термография. М.: Мир, 1988.400 с.

39. Клаассен К.Б. Основы измерений. М.: Постмаркет, 2000. 352 с.

40. ОСТ 10 067.081-81. Приборы оптические. Методы измерения показателя световозвращения. М.: ВНИИМС, 1981. 19 с.

41. Барышников Н.В., Вязовых М.В., Животовский И.В. Экспериментальная установка для исследования отражательных характеристик ОЭП // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. докл. XII Межд. научно-техн.конф. Сочи, 2001. С. 77-78.

42. Патент № 2201814 (РФ). Устройство для измерения показателя световозвращения оптико-электронных приборов / Н.В. Барышников, В.Б. Бокшанский, М.В. Вязовых, И.В. Животовский, В.Е. Карасик, В.Б. Немтинов, Ю.В. Хомутский // Б.И. 2003. №11.

43. Барышников Н.В., Бокшанский В.Б., Животовский И.В. Разработка аппаратуры второго поколения и методов измерения отражательных характеристик // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. докл. XIII Межд. научно-техн.конф. Сочи, 2002. С. 67-68.

44. Барышников Н.В., Животовский И.В. Цифровые методы измерения световозвращательных характеристик // ЛАЗЕРЫ 2003: Тез. докл. XIV Межд. научно-техн. конф. Сочи, 2003. С. 48-49.

45. Животовский И.В. Измерение отражательных характеристик методом цифровой обработки изображений индикатрис // Лазерные системы и их применения: Тез. докл. XI Межд. научно-техн. конф. Кострома, 2004. С. 46-47.

46. Животовский И.В. Цифровой метод измерения отражательных характеристик // ЛАЗЕРЫ — 2004: Тез. докл. XV Межд. научно-техн. конф. Сочи, 2004. С. 49-50.

47. Степанов P.O., Барышников И.В. Разработка метода и аппаратуры измерения световозвращательных характеристик ОЭС ИК диапазона

48. Измерительная техника. 2007. №9. С. 24 — 28.

49. Степанов P.O. Измерение световозвращательных характеристик в рамках решения задач дистанционного обнаружения замаскированных ИК приборов ведущих несанкционированное визирование

50. Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов: Сборник трудов 16 — й международной научно конференции. Москва, 2007. С. 423 —428.

51. Брянский Л.И., Дойников А.С. Краткий справочник метролога. М.: Издательство стандартов, 1991. 79 с.

52. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. 262 с.