Разработка методов и исследование установок юстировки лазерных высотомеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Ершов Александр Георгиевич

• Ершов Александр Георгиевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ершов Александр Георгиевич

Введение

Глава

Особенности настройки и юстировки лазерных высотомеров для

космических аппаратов

1.1 Лазерные высотомеры - дальномеры для исследования поверхностей небесных тел

1.2 Анализ методов и разработанных установок для настройки и юстировки лазерных высотомеров

1.3 Выводы к главе

Глава

Исследование методов и разработка основных технических требований к

установкам для юстировки лазерных высотомеров

2.1 Формулирование основных этапов методики юстировки

2.2 Исследование метода юстировки оптической оси объектива приёмного модуля лазерного высотомера относительно базового направления системы координат

2.3 Измерение угла разворота оси измерительной системы координат

2.4 Разработка метода, создание и исследование установки совместной юстировки приёмного модуля и лазерного передающего модуля

2.5 Выводы к главе

Глава

Разработка и исследование автоколлимационного метода измерения

фокусного расстояния объектива

3.1 Анализ методов и установок измерения фокусных расстояний объективов

3.2 Разработка и исследование автоколлимационного метода измерения фокусного расстояния линзового объектива

3.3 Выводы к главе

Глава

Применение разработанных методов для настройки и юстировки лётных образцов лазерного высотомера - вертиканта по программе «Фобос-Грунт»

Выводы к главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Приложение А (справочное) Акты об использовании результатов диссертационной работы

Приложение Б (справочное) Технические характеристики и математическое описание в терминах программы 7ешах объектива «Деймос» для установки

совместной юстировки ЛПМ и ПМ ЛВ

Приложение В (справочное) Вывод формул к Главе

Приложение Г (справочное) Математическое описание объектива ПМ ЛВВ в терминах программы 7ешах

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и исследование установок юстировки лазерных высотомеров»

Актуальность темы исследования

В настоящее время возрастает интерес различных стран к исследованию удалённых небесных тел солнечной системы (планет, астероидов, комет) с целью изучения их строения и химического состава для понимания формирования, как солнечной системы, так и естественных образований вне солнечной системы. Для этих целей за последние десятки лет в мире были созданы более десяти автоматических космических аппаратов, в состав аппаратуры которых входили и лазерные высотомеры, которые предназначены как для измерения дальности до подстилающей поверхности небесного тела, так и для измерения профиля этой поверхности. В основе высотомеров лежит принцип «время - пролётного дальнометрирования», в английском варианте: time-of-flight rangefmdmg. При этом необходимо знать направление зондирующего луча относительно корпуса и координатной системы ориентации летательного аппарата.

Обрабатывая временное и пространственное распределение принятого излучения, получают информацию о форме поверхности небесного тела. Временное распределение зондирующих импульсов задаётся электронным блоком в лазерном передающем модуле, а пространственное распределение -особенностями конструкции формирователя лазерного излучения.

Для увеличения перекрытия подстилающей поверхности используется лазерный передающий модуль, который излучает несколько лазерных пучков и это способствует возможности получения большей информации за один проход.

В процессе юстировки возникают задачи измерения как взаимной пространственной ориентации излучённых лазерных пучков и локальных полей зрения приёмного модуля, так и юстировки локальных полей и лазерных пучков относительно материальных баз на корпусе лазерного высотомера, с которыми связана система координат космического аппарата. При установке прибора на подвижный носитель (космический аппарат, самолёт и т.п.) необходимо ориентировать систему координат прибора относительно системы координат носителя и измерить рассогласование систем координат лазерного высотомера и

носителя.

Поэтому одной из основных задач при создании лазерных высотомеров является его юстировка относительно осей измерительной системы координат. Неопределённости юстировки зависят как от основных технических характеристик высотомера, так и от технических возможностей, заложенных в методы настройки и установки, используемые при реализации этих методов. Эти неопределённости находятся в диапазоне от единиц угловых секунд до десятков угловых секунд. Например, технические требования при юстировке лазерного высотомера MLA составляли порядка сорока угловых секунд, а такие же требования для высотомера BELA уже составляют около двенадцати угловых секунд [1].

Исходя из требований стабильности оси диаграммы направленности лазера в высокоточных приборах [2], для взаимной пространственной юстировки лазерного передающего и приёмного модуля требуется обеспечивать погрешности взаимной «привязки», так называемые ошибки «boresight errors», на уровне единиц угловых секунд. Эти требования предполагают как тщательную разработку методов юстировки и измерения рассогласования, так и создание установок для реализации этих методов. Такие установки должны обладать возможностью проводить измерения в несколько раз точнее, чем допускаемые (требуемые) технические параметры высотомеров. Поэтому становится актуальной необходимость исследования предельных технических возможностей методов и установок.

Работы в направлении разработки новых методов настройки и исследовании возможностей имеющихся установок для юстировки лазерных высотомеров ведутся как в России, так и других странах. Эти исследования актуальны также в связи с постоянным появлением различных проектов лазерных космических приборов для целей исследования гравитационного поля Земли и удалённых небесных тел, для задач лазерной космической связи при осуществлении навигации космического аппарата и лазерных систем зондирования удалённых небесных тел. В этих проектах ошибки юстировки могут быть приближены к

единицам угловой секунды и ниже (например, проект LISA [3]). Поэтому поиск и разработка новых методов и создание установок, которые позволяли бы осуществлять настройку и юстировку лазерных высотомеров с техническими характеристиками, соответствующими современным требованиям, являются актуальными научно-техническими задачами

Степень разработанности темы исследования

Многочисленные публикации, связанные с реализованными и планируемыми научно-техническими проектами в области разработки и исследования лазерных высотомеров, свидетельствуют об относительной разработанности темы исследования. Однако тщательное изучение этих материалов приводит к уверенности, что за совокупностью «стандартных» методов и приёмов, которые используют, в основном иностранные специалисты, стоит однажды выбранная методика настройки и юстировки. Это вызвано технологией построения корпуса автоматического аппарата, принятой в США. Конструкция корпуса, если упростить, представляет прямоугольную коробку, внутри которой располагаются баки с топливом и инерциальная система космического аппарата. Снаружи такой «коробки» монтируют различные приборы пространственной ориентации (звёздные датчики, датчики горизонта), двигатели управления и научные приборы.

В российской концепции освоения «дальнего» космоса, предложенная ФГУП НПО им. С.А.Лавочкина, автоматический космический аппарат представляет модульную конструкцию, в состав которой входит перелётный модуль. В основе перелётного модуля находится призматическая ферма с различным количеством граней. В зависимости от состава, научная и навигационная аппаратура может располагаться как снаружи, так и внутри призменной фермы. Внутренне расположение лазерного высотомера, в этом случае, исключает контроль союстировки лазерного передающего канала и приёмного канала при полностью собранном космическом аппарате.

В современной космонавтике развивается направление создания так называемых малых космических аппаратов. Эта концепция предполагает вывод

одной ракетой - носителем нескольких аппаратов, заключённых в предварительный контейнер. Размеры малых космических аппаратов могут быть от десятка сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Формы малых КА обычно выглядят как правильные параллепипеды.

Разные конструкции космических аппаратов приводят к необходимости изменения расположения научных и навигационных приборов и разработки новых методов юстировки положения осей системы координат прибора.

Цели и задачи исследования

Цель исследования - создание новых методов, разработка, исследование установок для настройки и юстировки лазерного высотомера. Для достижения этой цели необходимо решить следующие научные задачи:

1. Провести обзор и анализ различных вариантов разработок ЛВ и установок для их юстировки. Определить основные закономерности и отличия технических характеристик, требуемые точности юстировок и их влияние на достижение необходимых параметров.

2. Разработать метод юстировки положения оптической оси объектива ПМ относительно базовых поверхностей корпуса ЛВ. Сформулировать технические требования и разработать установки для осуществления данного метода. Исследовать и оценить неопределённости при проведении измерений на разработанной установке.

3. Разработать метод совместной юстировки ЛПМ и ПМ. Провести анализ неопределённостей метода. Исследовать влияние аберраций коллиматора на ошибки положения линии визирования.

4. Разработать автоколлимационый метод нахождения плоскости наилучшего изображения для длины волны ЛПМ ЛВ с целью уменьшения погрешности юстировки.

5. Провести обзор и анализ методов измерения фокусных расстояний объективов с целью уменьшения неопределённости юстировки ЛВ. Разработать метод измерения фокусного расстояния объектива на длине

волны соответствующей излучению ЛПМ, позволяющий уменьшить неопределённость измерения угла между направлениями пучков ЛВ.

Научная новизна

В процессе проведения исследований были получены новые научные результаты теоретического и прикладного характера:

1. Разработаны методы, созданы и испытаны установки, позволяющие проводить юстировку и настройку ЛВ с различными конфигурациями зондирующих лучей относительно осей СК связанных с материальными базами корпуса ЛВ, с неопределённостью юстировки до 22 угловых секунд (0,1 мрад).

2. На основе метода математического моделирования проанализировано влияние ошибок изготовления конструктивных элементов и неопределённостей измерения промежуточных величин на результирующую неопределённость юстировки. На этой основе сформулированы требования для разработки измерительного оборудования, позволяющего повысить точность юстировки.

3. Разработан новый оригинальный автоколлимационный метод измерения фокусного расстояния, позволяющий проводить измерения в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра. Относительная неопределённость фокусного расстояния составляет 0,02%, что позволяет повысить точность юстировки ЛВ до единиц угловых секунд.

4. Проведено математическое моделирование оригинального устройства, позволившее разработать новый автоколлимационный метод установки матричного фотоприёмного устройства в плоскость наилучшего изображения.

5. Применение автоколлимационного метода установки матричного фотоприёмного устройства в плоскость наилучшего изображения и разработанного автоколлимационного метода измерения фокусного расстояния позволяют реализовать измерение углов между пучками ЛВ с

неопределённостью в диапазоне от 0,007 мрад до 0,018 мрад (1,5...4 угловые секунды), что значительно меньше, чем при известных методах.

Теоретическая и практическая значимость работы

Результаты данного исследования были доложены на научных международных конференциях: ISPEMI 2010, Ханчжоу, Китай (2010 г.), "Optical Metrology", Мюнхен, ФРГ (2011, 2013, 2015 г.г.), «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, РФ (2014, 2016 г.г.) и опубликованы в научно-технических журналах, в том числе, включённых в перечень ВАК. По результатам работы были получены три патента РФ и опубликована одна монография. Практическая значимость работы заключается в том, что разработан технологический процесс юстировки лазерного высотомера-вертиканта по программе «Фобос-Грунт» и созданы пять установок для настройки и юстировки. В рамках этого процесса разработаны пять методик для юстировки, включённые в рабочую конструкторскую документацию для настройки лётных образцов лазерных высотомеров-вертикантов. Получены акты внедрения разработанных методов (Приложение А). Также создан метод и установка для измерения фокусного расстояния объектива.

Методология и методы исследования

В процессе исследования использовались следующие методы:

- метод численного моделирования при построении математических моделей оптических систем;

- метод оценивания неопределённостей измеренных величин, при вычислении меры рассеивания;

- матричный и векторный метод расчета, при анализе положения осей систем координат;

- метод верификации и метод фальсификации.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

1. Юстировка оптической оси объектива приёмного модуля относительно базовых поверхностей корпуса лазерного высотомера может быть проведена с неопределённостью менее половины угловой минуты.

2. Неопределённость измерения углов между направлениями осей локальных полей зрения объектива ПМ ЛВ зависит от неопределённости измерения линейных размеров, ошибки визирования и неопределённости измерения фокусного расстояния коллиматора установки юстировки. При этом ошибка визирования при юстировке может быть уменьшена до значения одной угловой секунды путём оптимизации объектива коллиматора установки.

3. Относительная неопределённость измерения фокусного расстояния разработанным автоколлимационным методом достигает 0,02%, что позволяет повысить точность юстировки лазерных высотомеров до 1,5 угловых секунд.

Степень достоверности и апробация результатов

Основные результаты научной работы прошли экспертную оценку и опубликованы в трудах международных конференций ISPEMI 2010, Ханчжоу, Китай (2010 г.), "Optical Metrology", Мюнхен, ФРГ (2011, 2013, 2015 г.г.), «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, РФ (2014, 2016 г.г.). Методы юстировки вошли в рабочую конструкторскую документацию и использовались при настройке двух лётных образцов лазерного высотомера-вертиканта по программе «Фобос-Грунт». В рамках работы получены три патента РФ на изобретение и опубликована одна заявка на изобретение. По результатам исследований написано пять статей из списка, рекомендованных ВАК, а в ФРГ издана одна монография.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, словаря терминов, списка литературы из 59 наименований и четырёх приложений, общего объёма в 131 страницу. В работе приведены 48 рисунков в основном тексте и 3 рисунка в приложениях.

Глава 1 Особенности настройки и юстировки лазерных высотомеров для

космических аппаратов

1.1 Лазерные высотомеры - дальномеры для исследования поверхностей

небесных тел

По типу базирования на носителе лазерные высотомеры условно можно разделить на самолётные и космические. Их особенности конструкции и массогабаритные характеристики могут отличаться значительно, в зависимости от назначения и условий эксплуатации. Лазерные высотомеры космического базирования устанавливают на автоматические космические аппараты, предназначенные для исследования поверхности космических тел: планет солнечной системы, астероидов и комет. Лазерные высотомеры самолётного базирования предназначены для исследования поверхности Земли: поверхности мирового океана и баланса льда, а также растительного покрова Земли. Эти данные используют для прогнозирования изменений климата Земли и выработки рекомендаций для сельского хозяйства. В зависимости от назначения, лазерные высотомеры можно разделить на две категории: 1. профилометры, которые зондируют поверхность с высокой частотой (до десяти килогерц) и позволяют получать подробную топологию подстилающей поверхности [4], 2. высотомеры вертиканты, позволяющие определять наклон поверхности и местной вертикали [5]. Профилометры могут быть однолучевыми и многолучевыми, а высотомеры -вертиканты, как правило, многолучевые.

Лазерные высотомеры состоят из двух крупных модулей: лазерного передающего модуля (ЛПМ) и приёмного модуля (ПМ). В ЛПМ генерируется и формируется с помощью оптической системы пучок лазерного излучения с определённой расходимостью, длительностью импульса, частотой излучения и количеством пучков. ПМ осуществляет приём отражённого от подстилающей поверхности лазерного излучения и вычисляет время пролёта импульса. Лазерные высотомеры, как импульсные дальномеры, измеряют дальность Ь (см) косвенным образом через измерение времени ^ (сек) «пролёта» лазерного

импульса до объекта и обратно по формуле L= (c • t)/2 , где c (см/сек) - скорость света. При этом необходимо знать направление лазерного пучка относительно системы координат носителя для формирования реальной привязки к поверхности зондируемого тела. Это обстоятельство формирует ряд особенностей, связанных с юстировкой ЛПМ и ПМ, а также «привязкой» измерительной системы координат лазерного высотомера (ЛВ) к системе координат носителя.

Измерительная система координат (ИСК) ЛВ формируется осями координат, проходящими через материальные элементы ЛВ: оси лазерных пучков ЛПМ и связанных с ними локальными полями зрения объектива ПМ, элементы конструкции ЛВ и поверхностями оптических вспомогательных элементов (зеркалами и зеркальными кубиками), входящих в конструкцию ЛВ.

Современная космонавтика и связанная с ней приборостроительная отрасль развивается разнонаправленно. С одной стороны продолжается развитие традиционных конструкций: большие космические аппараты, с габаритами до трёх метров и массой несколько тонн. С другой стороны бурно развивается отрасль, связанная с малыми космическими аппаратами, конструкции которых должны вписываться в габариты менее одного метра, а значит и приборы, входящие в их состав, должны быть построены нетрадиционным способом. Эти особенности касаются и лазерных высотомеров для малых космических аппаратов, методов их настройки и юстировки. Для определения возможных направлений проведения исследования рассмотрим разработанные проекты лазерных высотомеров, установленные на космические аппараты.

Для лазерных высотомеров космического базирования характерны меньшие габариты и масса, большая надёжностью в эксплуатации. Этот класс приборов в последнее время развивается наиболее интенсивно. С 1992 года по настоящее время в разных странах реализовано более десятка космических проектов.

В Соединённых Штатах Америки были разработаны следующие приборы.

Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) (1992-1993), MOLA-2 (1996-2006) -однолучевые лазерные высотомеры для топографирования поверхности планеты Марс. Расходимость лазерного пучка длины волны 1064 нм составляла 0,35 мрад.

Поле зрения объектива приёмного модуля составляла 0,85 мрад. Неопределённость положения линии визирования объектива 0,05 мрад. Неопределённость положения лазерного пучка 0,025 мрад [4]. Стабильность положения космического аппарата (КА) относительно надира ± 3 мрад (3g) по каждой из осей. На Рисунке 1.1 показано изображение КА [6] и расположение на нём высотомера MOLA (Рисунок 1.2) [4].

Рисунок 1.1. Космический аппарат Mars Observer.

Рисунок 1.2. Лазерный высотомер MOLA.

Clementine (1994) - в состав аппаратуры входил однолучевой лазерный дальномер для измерения профиля поверхности Луны. Расходимость лазерного пучка на 1064 нм 0,5 мрад, на 532 нм 4 мрад. Поле зрения приёмной оптики 1 мрад [7]. КА был стабилизирован по трём осям с точностью 0,87 мрад. Измерение стабилизации КА было в пределах 0,52 мрад [8].

NEAR Laser Rangefinder (NLR) (1996-2001) - однолучевой лазерный дальномер для профилирования поверхности астероида Эрос (Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. Лазерный дальномер NLR.

Расходимость лазерного пучка на длине волны 1064 нм составила 0,235 мрад. Поле зрения объектива 0,29 мрад [9]. Стабильность положения КА осуществлялась с точностью 1,7 мрад. Измерение стабилизации КА происходило с неопределённостью 0,05 мрад [10].

Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) (2003-2010) - однолучевой лазерный высотомер для измерения профиля земной поверхности и зондирования атмосферы Земли. Расходимость лазерного пучка на длине волны 1064 нм составляла 0,11 мрад. Поле зрения приёмной оптики была 0,5 мрад [11]. Точность ориентации КА составляла 100 мкрад по системе определения положения и контроля. Определение направления луча после обработки с использованием звёздных датчиков и лазерной эталонной системы составило 0,007 мрад (1а) [12].

Mercury Laser Altimeter (MLA) (2004-2015) - однолучевой лазерный высотомер для измерения профиля поверхности планеты Меркурий показан на Рисунке 1.4. Расходимость лазерного (1064 нм) пучка составила 0,08 мрад, поле зрения приёмной системы 0,4 мрад [13]. Измерение положения КА производилось с неопределённостью 0,35 мрад (1а) [14].

Receiver Telesc

Laser Beam Expander

RMU/CPU Electronics

Power Converter

Referenci Cubi

Laser Be

Mounting nexures (3)

Рисунок 1.4. Схема расположения основных частей высотомера MLA.

В отличие от других высотомеров, приемная оптика MLA состоит из четырех идентичных линзовых объективов, что отражается на особенностях юстировки.

Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) (2009 - по настоящее время) -пятилучевой лазерный высотомер для измерения топографии поверхности Луны. Расходимость лазерного (на длине волны 1064 нм) пучка 0,1 мрад, угловое расстояние между пучками 0,5 мрад. Поле зрения объектива приёмного оптического канала ± 0,9 мрад, локальное поле зрения (для одного лазерного пучка) составило 0,4 мрад. Точность стабилизации КА составила 0,29 мрад. Измерение направления координатных осей КА происходило в пределах 0,145 мрад. На Рисунке 1.5 показан КА Lunar Reconnaissanse Orbiter (LRO) и с расположенным на нём высотомере LOLA [15].

Рисунок 1.5. Космический аппарат LRO.

На Рисунке 1.6 показана конструкция высотомер LOLA с расположением основных составных элементов [16].

Reference Cube

Рисунок 1.6. Лазерный высотомер LOLA.

В модуль лазерного излучателя LOLA входят следующие составные части: блок лазера (Laser Bench) с двумя лазерными генераторами и телескоп лазера (Laser Transmitter Telescope). На модуле лазерного излучателя также расположен контрольный кубик (Reference Cube), который служит для имитации и фиксации направления излучения лазерного излучателя во внешнее пространство.

Приёмный модуль включает в свой состав приёмный телескоп (Receiver Telescope), блоки фокусирующей оптики со сборками приемников (Aft Optics/Detector Assemblies), в количестве пяти штук.

Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS) планируется к запуску в 2017 году - шестилучевой (три пары пучков, расстояние между парами около 6,6 мрад) лазерный (длина волны 534 нм) высотомер для геофизических космических исследований. Расходимость лазерного пучка 0,035 мрад. Поле зрения объектива ± 7 мрад, локальное поле зрение 0,085 мрад [17]. При этом КА стабилизирован с точностью 0,064 мрад (3а), а специальная система наведения

обеспечит стабилизацию лазерных пучков в пределах 0,003...0,006 мрад [18]. Высотомер ATLAS это продолжение проекта GLAS, но только на новом качественном уровне измерения.

В Японии были разработаны следующие два прибора.

HAYABUSA LIDAR (2003-2010) - однолучевой лазерный высотомер для измерения профиля астероида Итокава и обеспечения посадки на астероид. Расходимость лазерного (длина волны 1064 нм) пучка 0,5 мрад. Поле зрения приёмного объектива составляло 1 мрад [19].

KAGUYA Laser Altimeter (LALT) (2007-2009) - однолучевой лазерный высотомер для топографирования Луны. Расходимость лазерного пучка на длинне волны 1064 нм составила 0,4 мрад. Поле зрения объектива 1 мрад [20].

В КНР был разработан проект CHANG'e-1 Laser Altimeter (LAM) (20072009) - однолучевой лазерный высотомер для измерения профиля Луны на длине волны 1064 нм. Расходимость лазерного пучка составила 0,6 мрад. Поле зрения приёмного объектива было около1,5 мрад [21].

Индия создала проект прибора: CHANDRAYAAN-1 Lunar Laser Ranging Instrument (LLRI) (2008-2009) - однолучевой лазерный дальномер для построения топографической карты Луны. Расходимость лазерного пучка на длине волны 1064 нм составила 0,32 мрад. Поле зрения приёмного объектива было 0,87 мрад [22].

В России разработан проект лазерного высотомера - вертиканта (ЛВВ) (2011-2012) - четырёхлучевого дальномера для управления посадкой на спутник Марса - Фобос и измерения дальности до Фобоса при нахождении перелётного модуля автоматического космического аппарата на квазисинхронной орбите Фобоса. Расходимость каждого лазерного пучка длины волны 1064 нм составляла около 0,15 мрад. Расстояние между центральным и тремя боковыми пучками, расположенными по ребрам воображаемой правильной треугольной пирамиды, составляло один градус [23].

На Рисунке 1. 7 показан перелётный модуль в развёрнутом состоянии.

Рисунок 1.7. Расположение лазерных пучков ЛВВ относительно перелётного модуля КА «Фобос-Грунт».

Четыре луча от передающего лазерного модуля ЛВВ образуют в пространстве правильную трёхгранную пирамиду. Центральный луч направлен по высоте трёхгранной пирамиды. Поле зрения линзового объектива ПМ составляло более двух градусов. В фокальной плоскости объектива располагался волоконно-оптический объединитель четырёх пучков. Локальное поле одного волоконного пучка в пространстве предметов объектива соответствовало 1 мрад.

ЛВВ располагался во внутреннем объёме фермы перелётного модуля (Рисунок 1.8) [24] и это кардинально отличало данный проект от принятого расположения лазерных высотомеров в проектах MLA, LOLA.

На Рисунке 1.8 показаны оси измерительной системы координат ЛВВ (хиуи zh).

Рисунок 1.8. Расположение ЛВВ на перелётном модуле КА «Фобос-Грунт».

В Евросоюзе планируется к запуску в 2018 году первый проект: BepiColombo Laser Altimeter (BELA) - однолучевой лазерный высотомер для определения морфологии и топологии планеты Меркурий. Расходимость лазерного (на длине волны 1064 нм) пучка 0,05 мрад. Поле зрения приёмного объектива 0,4 мрад [25].

На Рисунке 1.9 отображены сравнительные поля зрения объективов приёмных модулей (ПМ) и расходимости лазерных пучков лазерных передающих модулей (ЛПМ) различных проектов высотомеров. Из сравнения видно, что прослеживается явная тенденция во времени к уменьшению поля зрения ПМ и уменьшению расходимости лазера. Это вызвано стремлением исследователей повысить точность измерений. Однако данное обстоятельство требует исследования предельной точности юстировки лазерных высотомеров и нахождению новых методов настройки и юстировки. Уменьшение поля зрения лазерного высотомера и повышение точности юстировки приводит к необходимости повышения точности стабилизации КА и уменьшения неопределённости при измерении положения КА в пространстве.

Рисунок 1.9. Сравнение локальных полей зрения ПМ и расходимости пучков ЛПМ разных проектов лазерных высотомеров. Большая штриховая окружность обозначает неопределённость направления осей КА MARS OBSERVER, а малая -

КА LUNAR RECONNAISSANCE ORBITER

Направление создания малых космических аппаратов ставит новую задачу для исследований установок и методов юстировки лазерных высотомеров. Эта тенденция устойчива как в России, так и за рубежом и предполагает выведение нескольких КА одной ракетой - носителем [26, 27, 28]. Конструкции малых КА могут кардинальным образом отличаться от принятых в современной космонавтике двух типов построения КА. Первый тип предполагает создание конструкции, в центре которой находятся топливные баки, закрытые панелями, снаружи которых располагаются приборы навигации, управления и научно -исследовательские приборы. Такая конструкция КА свойственна космической промышленности США, КНР, Индии и Евросоюза. Примеры таких спутников

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ершов Александр Георгиевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sumita Chakraborty. High accuracy alignment facility for the receiver and transmitter of the BepiColombo Laser Altimeter [Text] / Sumita Chakraborty, Michael Affolter, Kurt Gunderson, Jakob Neubert, Nicolas Thomas, Thomas Beck, Michael Gerber, Stefan Graf, Daniele Piazza, Antoine Pommerol, Guillaume Roethlisberger, Karsten Seiferlin // Applied Optics, 10 July 2012, Vol. 51, No. 20.

2. Nicholas W. Sawruk. ICESat-2 Laser Technology Readiness Level Evolution [Text] / Nicholas W. Sawruk*, Patrick M. Burns, Ryan E. Edwards, Theodore Wysocki, Andre VanTuijl, Viatcheslav Litvinovitch, Edward Sullivan, Floyd E. Hovis // Proc.SPIE, Vol. 9342, 93420L, doi: 10.1117/12.2080531

3. Jennrich, O. LISA technology and instrumentation [Text] / O. Jennrich // Classical and Quantum Gravity, V.26, N.15, DOI: 10.1088/0264-9381/26/15/153001 [Электронный ресурс]/ Режим доступа: https://arxiv.org/abs/0906.2901

4. Luis Ramos-Izquierdo. Optical system design and integration of the Mars Orbiter Laser Altimeter [Text] / Luis Ramos-Izquierdo, Jack L. Bufton, Patricia Hayes // Applied Optics, Vol.33, No.3, Jan 1994.

5. Захаренков, В.Ф. Лазерные дальномеры, профилометры и вертиканты для космических применений [Текст] / В.Ф.Захаренков, В.М.Поляков // Чтения им. Академика Д.С.Рождественского, ОАО «ГОИ им.С.И.Вавилова», 2011г./ Архив А.Г.Ершова.

6. Arden L. Albee. Overview of the Mars Global Surveyor mission [Text] / Arden L. Albee, Raymond E. Arvidson, Frank Palluconi, Thomas Thorpe // Journal of Geophysical Research, Vol. 106, No. E10, pages 23,291-23,316, October 25, 2001.

7. Arno G. Ledebuhr. HiRes camera and lidar ranging system for the Clementine mission [Text] / Arno G. Ledebuhr, Joseph F. Kordas, Isabella T. Lewis, Michael J. Richardson, George R. Cameron, W. Travis White III, Douglas W. Dobie, Wesley D. Strubhar, Thomas F. Tassinari, Douglas J. Sawyer, Michael J. Shannon, Lyn D. Pleasance, Albert J. Lieber, Peter K. Trost, David W. Doll, Michael G. Grote // Proc. SPIE 2472, Applied Laser Radar Technology II, 62 (June 16, 1995).

8. Nozette, S. The Clementine mission to the Moon: scientific overview [Text] / Stewart Nozette, P. Rustan, L. P. Pleasance, D. M. Horan, P. Regeon, E. M. Shoemaker, P. D. Spudis, C. H. Acton, D. N. Baker, J. E. Blamont, B. J. Buratti, M. P. Corson, M. E. Davies, T. C. Duxbury, E. M. Eliason, B. M. Jakosky, J. F. Kordas, I. T. Lewis, C. L. Lichtenberg, P. G. Lucey, E. Malaret, M. A. Massie, J. H. Resnick, C. J. Rollins, H. S. Park, A. S. McEwen, R. E. Priest, C. M. Pieters, R. A. Reisse, M. S. Robinson, R. A. Simpson, D. E. Smith, T. C. Sorenson, R. W. Vorder Breugge, M. T. Zuber // Science, Vol.266, Dec 1996.

9. Cole, T.D. Laser Rangefinder for the Near Earth Asteroid Randezvous (NEAR) Mission [Text] / Timothy D. Cole, Mark T. Boies, Ashruf S. El-Dinary, R. Alan Reiter, Daniel Rodriguez, Robert Hems, Binh Le, and Robert Moore // Proc. SPIE. 2581, Lidar Techniques for Remote Sensing II, 2. (December 15, 1995) doi: 10.1117/12.228504.

10. Santo A.G. NEAR spacecraft and instrumentation [Text] / A.G. Santo, S. C. Lee, R.E. Gold // [Электронный ресурс] / Режим доступа: http: //near.j huapl .edu/PDF/SC_Inst.pdf

11. Xiaoli Sun. Space lidar developed at the NASA Goddard Space Flight Center -The first 20 years [Text] / Xiaoli Sun, James B. Abshire, Jan F. McGarry, Gregory A. Neumann, James C. Smith, John F. Cavanaugh, David J. Harding, H. Jay Zwally, David E. Smith, Maria T. Zuber // IEEE Journal of selected topics in applied Earth observations and remote sensing. Vol.6, No. 3, June 2013.

12. [Текст] / [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://directory.eoportal.org/web/eoportal/sattelite-missions/i/icesat

13. Luis Ramos-Izquierdo. Optical system design and integration of the Mercury Laser Altimeter [Text] / Luis Ramos-Izquierdo, V. Stanley Scott III, Stephen Schmidt, Jamie Britt, William Mamakos, Raymond Trunzo, John Cavanaugh, Roger Miller// Applied Optics, Vol.44, No.9, March 2005.

14. Santo A.G. The MESSENGER mission to Mercury: spacecraft and mission design [Text] / Andrew G. Santo, Robert E. Gold, Ralph L. McNutt Jr., Sean C. Solomon, Carl J. Ercol, Robert W. Farquhar, Theodore J. Hartka, Jason E. Jenkins, James V.

McAdams, Larry E. Mosher, David F. Persons, David A. Artis, Robert S. Bokulic, Richard F. Conde, George Dakermanji, Milton E. Goss Jr., David R. Haley, KennethJ. Heeres, Richard H. Maurer, Robert C. Moore, Elliot H. Rodberg, Theodore G. Stern, Samuel R. Wiley, Bobby G. Williams, Chen-wan L. Yen, Max R. Peterson // Planetary and Space Science 49 (2001) 1481-1500.

15. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http: //directory.eoportal. org/web/eoportal/sattelite-missions/l/lro

16. Luis Ramos-Izquierdo. Optical system design and integration of the Lunar Orbiter Laser Altimeter [Text] / Luis Ramos-Izquierdo, V. Stanley Scott III, Joseph Connelly, Stephen Schmidt, William Mamakos, Jeffrey Guzek, Carlton Peters, Peter Liiva, Michael Rodriguez, John Cavanaugh, Haris Riris // Applied Optics, Vol.48, No.16, June 2009.

17. Thorsten, M. The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2 (ICESat-2): Science requirements, concept, and implementation [Text] / Thorsten Markus, Tom Neumann, Anthony Martino, Waleed Abdalati, Kelly Brunt, Beata Csatho, Sinead Farrell, Helen Fricker, AlexGardner, David Harding, Michael Jasinski, Ron Kwok, LoriMagruder, Dan Lubin, Scott Luthcke, James Morison, Ross Nelson, Amy Neuenschwander, Stephen Palm, Sorin Popescu, CK Shum, Bob E. Schutz, Benjamin Smith, Yuekui Yang, Jay Zwally // Remote Sensing of Environment 190 (2017) 260-273 / Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2016.12.029

18. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://directory.eoportal.org/web/eoportal/sattelite-missions/i/icesat-2

19. Katsuhiko Tsuno. LIDAR on board asteroid explorer HAYABUSA [Text] / Katsuhiko Tsuno, Eisuke Okumura, Yoshihiko Katsuyama, Takahide Mizuno, Tatsukaki Hashimoto, Michio Nakayama, Hiroshi Yuasa / Sixth International Conference on Space Optics, Proc. ESA/CNES ICSO 2006/ [Электронный ресурс] / Режим доступа: adsabs.harvard.edu/full/2006ESASP.621E..36T

20. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http: //directory.eoportal. org/web/eoportal/sattelite-missions/s/selene

21. Wang, J. Laser altimeter onboard Chinese Chang'E 1 Orbiter [Text] / J. Wang, R. Shu, W. Chen, J. Jia, B. Wang, G. Huang, Y. Hu, X. Hou // Optical Payloads for Space Missions (ed S.-E. Qian), John Wiley&Sons, Ltd, Chichester, UK. doi: 10.1002/9781118945179.ch24

22. Kamalakar, J. A. Design, Development and Performance of a Laser Ranging Instrument Onboard Chandrayaan-1 [Text] / J. A. Kamalakar, A.S. Laxmi Prasad, K.V.S. Bhaskar, P. Selvaraj, R. Venkateswarn, V.L.N. Sridhar Raja, K. Kalyani, Adwaita Goswami, K. Ravikumar // Journal of Spacecraft Technology, Vol. 20, No.1, pp. 13-24, January 2010.

23. Поляков, В. М. Лазерный передающий модуль с переключаемой диаграммой направленности для космического аппарата «Фобос-Грунт» [Текст] / В. М. Поляков, В. П. Покровский, Л. Н. Сомс // Оптический журнал, Т.78, номер 10, октябрь 2011.

24. Захаров, А.В. Фобос - Грунт. Проект космической экспедиции. Научное издание в двух томах [Текст] / В.В.Ефанов, А.В.Захаров // ФГУП НПО им.С.А.Лавочкина, ИКИ РАН. Совместное издание. М. 2011. Режим доступа: http://www.iki.rssi.ru/books/2011f-g1.pdf

25. Althaus, Ch. The BepiColombo Laser Altimeter BELA and Tx Verification [Text] / Christian Althaus, Kay Lingenauber, Harald Michaelis // 17th International Workshop on Laser Ranging, May 2011, Bad Kotzting, Germany / [Электронный ресурс] / Режим доступа: elib.dir.de/70020/

26. Mattei, S. New rangefinder system for microsattelite [Text] / Stefania Mattei, Maria Rosaria Santovito, Antonio Moccia // Proc. SPIE 5240, Laser Radar Technology for Remote Sensing, 17 (January 9, 2004); doi:10.1117/12.510672

27. Bruzzi, J. R. A Compact Laser Altimeter for Spacecraft Landing Applications [Text] / Jonathan R. Bruzzi, Kim Strohbehn, Bradley G. Boone, Samuel Kerem, Russell S. Layman, and Matthew W. Noble // JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, VOLUME 30, NUMBER 4 (2012) / Режим доступа: http://www.jhuapl .edu/techdigest/TD/td3004/30_4-Bruzzi.pdf

28. Moon, S.G. Towards a miniaturized photon counting laser altimeter and stereoscopic camera instrument suite for microsatellites [Text] / Moon, S.G., Hannemann, S., Collon, M., Wielinga, K., Kroesbergen, E., Harris, J., Gill, E.K.A., Maessen, D.C. // Small Satellites for Earth Observation: 7th International Symposium of the International Academy of Astronautics (IAA), 4-8 May 2009, Berlin, Germany / Режим доступа: http://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid:08e0604e-0d0c-43db-8a57-354fecbf04d4?collection=research

29. Пичхадзе, К. М. Развитие научно-проектной школы Г. Н. Бабакина создания автоматических космических аппаратов для исследования дальнего космоса [Текст] / К. М. Пичхадзе // Вестник ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина». Научно - технический журнал - 2009. - №1. - с. 9 -18.

30. Хартов, В. В. Новый этап создания автоматических космических аппаратов для фундаментальных научных исследований [Текст] / В. В. Хартов // Вестник ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина». Космонавтика и ракетостроение. - 2011. -№3. - с. 3-10.

31.Санько, Н. Ф. Настоящее и будущее фундаментальных космических исследований в России [Текст] / Н. Ф. Санько // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов, Третья всероссийская научно-техническая конференция, Сборник трудов (п/р Г.А. Аванесова), сентябрь 2012, Россия, Тарусса / Режим доступа: http: //www. iki.rssi. ru/books/2012avanesov.pdf

32. Xiaoli Sun. Calibration of the Mercury Laser Altimeter on the MESSENGER Spacecraft [Text] / Xiaoli Sun, Gregory A. Neumann // IEEE transactions on geoscience and remote sensing, Vol. 53, No. 5, May 2015 / [Электронный ресурс] / Режим доступа:ieeexplore.ieee.org/document/6971191

33. Takahide Mizuno . Study of two-dimensional scanning lidar for planetary explorer [Text] / Takahide Mizuno, Makoto Mita, Yasuhiro Kajikawa, Norihide Takeyama , Hirokazu Ikeda, Kousuke Kawahara // Proc. SPIE 7106, Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XII, 71061A (October 09, 2008); doi:10.1117/12.800791

34. Ершов, А.Г. Измерительная система координат космического лазерного высотомера-вертиканта, метод юстировки и анализ неопределённостей [Текст] / А.Г.Ершов // Вестник ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина». Космонавтика и ракетостроение. - 2012. - №5. - с. 73-79.

35. Wolfgang Otto. Measuring large aspherics using a commercially available 3D-coordinate measuring machine [Text]/ Wolfgang Otto, Axel Matthes, Heinz Schiehle // Proceedings of SPIE Vol. 4003, 2000, doi: 10.1117/12.391498.

36. Wei-Cheng Lin. The alignment of the aerospace Cassegrain telescope primary mirror and iso-static mount by using CMM [Text] / Wei-Cheng Lin, Shenq-Tsong Chang, Yu-Chuan Lin, Yu-Cheng Cheng, Ming-Ying Hsu, Ting-Ming Huang // Proceedings of SPIE Vol. 8131, 81310M, 2011. doi:10.1117/12.894379.

37. Eleanor F Howick. Using a Co-ordinate Measuring Machine to align multiple element large optical systems [Text]/ Eleanor F Howick, David Cochrane, David Meier // Proceedings of SPIE Vol. 6676, 66760L, 2007, doi: 10.1117/12.733345.

38. Семёнов, А.П. Методы изготовления и контроля уникальных крупногабаритных и космических зеркал в ОАО ЛЗОС [Текст] / А.П.Семёнов, М.А.Абдулкадыров, С.П.Белоусов, В.Е.Патрикеев, В.В.Придня // КОНТЕНАНТ, научно-технический журнал, т.12, №3, 2013/ [Электронный ресурс]/ Режим доступа: contenant.ru/pdf/5.pdf

39. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: lapic.ru/catalog/Koordinatno_izmeritelnaya_mashina_KIM_750/

40. Афанасьев, В. А. Оптические приборы и методы контроля прямолинейности в инженерной геодезии [Текст] / В.А.Афанасьев, В.С.Усов // М. Недра, 1973, с.152.

41. Островский, А.Л. Геодезическое прибороведение [Текст] / Островский А.Л., Маслич Д.И., Гребенюк В. Г. // Львов: Вища школа. Изд-во при Львов, ун-те, 1983.— 208 с.

42. Р 50.2.038-2004. Рекомендации по метрологии. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые однократные.

Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений [Текст] / Москва, 2004г.

43. Корн, Г.А. Справочник по математике для научных работников и инженеров [Текст] / Г.А.Корн, Т.М.Корн // М. Наука, 1970, 720 с.

44. Санников, П.А. Устройства для определения положения фокальных плоскостей оптических систем [Текст] / П.А.Санников // ОМП, 1984, №7, с.47.

45. Способ определения положения плоскости наилучшего изображения автоколлимационным методом [Текст]: заявка 2011100518 Рос. Федерация: МПК G01M/00 / Ершов А.Г.; заявитель Ершов А.Г. - №2011100518/28; заявл.11.01.2011; опубл. 20.07.2012, Бюл. №20.

46. Объективы. Методы измерения фокусного расстояния. ГОСТ 13095-82, // М. Издательство стандартов.1982. 10с.

47. Пизюта, Б.А. Новые оптико-электронные приборы для оптических измерений [Текст] / Пизюта Б.А. Михайлов И.О. // Учебное пособие для студентов оптического факультета.- Новосибирск; СГГА, 1996. 77с. ISBN 5-230-11743-5.

48. Кирилловский, В.К. Оптические измерения [Текст] / В.К. Кирилловский // Учебное пособие, часть 3, ЛИТМО. 2005. 67с.

49. Афанасьев, В.А. Оптические измерения [Текст] / В. А. Афанасьев // Учебник для вузов. 3-е изд., М. Высшая школа, 1981, 229с.

50. Афанасьев, В.А. Автоколлимационные приборы [Текст] / В. А. Афанасьев, А.М.Жилкин, В. С. Усов // М. Недра. 1982г. 144с.

51. Способ определения фокусного расстояния длиннофокусных оптических систем и устройство для его осуществления [Текст]: патент 2072217:Рос. Федерация: МПК51 G01M11/00/Мещеряков В.И., Филиппов О.К., Синельников М.И.; заявитель и патентообладатель НИИКИ ОЭПиС гос.научного центра «ГОИ им. С.И.Вавилова».- №94038823/28; заявл. 28.09.1994; опубл.20.01.1997.

52. Способ определения фокусного расстояния оптической системы [Текст]: патент 2408862: Рос.Федерация: МПК51 G01M11/02/ Зуев С.В.; заявитель и патентообладатель ИМКЭС СО РАН.- заявл. 2009100442/28 от 11.01.2009; опубл. 20.07.2010, Бюл. №27.

53. Способ определения оптических характеристик длиннофокусных объективов [Текст]: авторское свидетельство SU 1048346 А: СССР: МПК51 G01M 11/00 / Лысенко О.Г., Мартыненко О.Г., Жидович А.И.; заявитель и патентообладатель «Ордена Трудового Красного Знамени институт тепло- и массообмена им. А.И.Лыкова». - №3420858/18-10; заявл. 08.04.1982; опубл. 15.10.1983, Бюл. №38

54. Способ измерения фокусного расстояния объектива [Текст]: авторское свидетельство SU 1578553 А1: СССР: МПК51 G01M 11/02 / Волков В.М., Шарапа А.И., Шпилевая В.Н.; заявитель и патентообладатель Киевский государственный университет им. Т.Г.Шевченко. - №4328110/24-10; заявл. 16.11.1987; опубл. 15.07.1990, Бюл. №26.

55. Устройство для определения фокусного расстояния оптической системы [Текст]: авторское свидетельство SU 1612214 А1: СССР: МПК51 G01 M 11/00 / Санников П.А.; заявитель и патентообладатель Санников П.А. - №4012759/2463; заявл. 27.01.1986; опубл. 07.12.1990, Бюл. №45.

56. Способ измерения фокусного расстояния объектива [Текст]: авторское свидетельство SU 1652852 А1: СССР: МПК51 G01 M 11/00 / Кондратов Ю.В.; заявитель и патентообладатель Кондратов Ю.В. - №4709654/10; заявл. 26.06.1989; опубл. 30.05.1991, Бюл. №20.

57. Способ определения фокусного расстояния оптической системы [Текст]: авторское свидетельство SU 1696930 А1: СССР: МПК51 G01 M 11/00 / Соскинд Я.Г., Морозов С.В., Саар К.Ю., Москаленко И.В.; заявитель и патентообладатель Специальное конструкторское бюро АН ЭССР -№4420481/10; заявл. 04.05.1988; опубл. 07.12.1991, Бюл. №45.

58. Evaluation of measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement [Text] / [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.bipm.org/en/publications/guides/.

59. Елисеев, С. В. Геодезические инструменты и приборы [Текст] / С. В. Елисеев // М. Недра. 1973г. 391с.

Приложение А (справочное)

Акты об использовании результатов диссертационной работы

УТВЕРЖДАЮ ^перальный директор им. С.И. Вавилова» _Маринченко Ю.М. At|. /V. 2017г.

АК'1

Об использовании результатов кандидатской диссертационной работы Ершова Александра Георгиевича

Комиссия в составе: председатель JI.1КАрхипова. члены комиссии: А.Г.Бельченко.

А.Н.Васи льев. Ю.Е.Забиякин, В.Ф.Захарснков, П.А.Мочен. Н.Г.Львова.

составили настоящий акт о том. что результаты диссертационной работы РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ II ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВОК ЮСТИРОВКИ ЛАЗЕРНЫХ ВЫСОТОМЕРОВ, представленной на соискание ученой степени кандидата наук, использованы в деятельности ОАО «ГОИ им.С.И.Вавилова» при настройке и юстировке двух лётных образцов лазерного высотомера вертиканта при реализации методик калибровки и юстировки: «Лазерный высотомер-всртикант. Методика калибровки положений шарика измерительного щупа КИМ-750. ИС 120-000Д1», «Лазерный высотомер-вертикант. Методика юстировки оптической оси ПМ ЛВВ относительно линии пересечения прнвалочной плоскости ЛВВ и осей двух базовых отверстий (ось ОХ„). ИС 120-0СЮД2», «Лазерный высотомер-вертикант. Методика юстировки положения ценгрального волокна волоконного объединителя пучков относительно оптической оси ПМ ЛВВ. ИС 120-000ДЗ», «Лазерный высотомер-вертикант. Методика совместной юстировки ПМ и ЛПМ ЛВВ. ИС 120-(Ю0Д4». «Лазерный высотомер-вертикант. Методика юстировки угла разворота 45 градусов IICK ЛВВ. ИС 120-000Д5». Для реализации методик были созданы пять установок, которые использовались в технологическом процессе настройки и юстировки лётных образцов ЛВВ.

Использование указанных результатов позволяет повысить качество проведения настроечных и юстнровочных работ, сократить затраты па проведение заводских работ и повысить производительность труда.Результаты внедрялись при выполнении работ по теме: «Фобос-Грунт».

Председатель комиссии Члены комиссии:

'l/ Архипова Л.П., начальник IIO-5, главный оптик .Г., начальник НО-2 п,ев А.Н., начальник Ol Ж Забиякин Ю.Е., главный специалист ОИС Леонов М.Б., начальник лаб. Н-52 —Д. Захарепков В.Ф., ведущий научный сотрудник ^ (^ Иозеп.Н.А., начальник департамента по качеству Льво1ш B.I . начальник ОТК-главныП контролер

УТВЕРЖДАЮ

¿ujWi Генеральный директор

tí ОН им С.И.Вавилова»

_Марннченко Ю.М. 11. 2017 г.

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертационной работы Нршова Александра Георгиевича

Комиссия в составе: председатель Лрхнпова ЛИ., члены комиссии: БельчеикоА.Г., Васильев А.Н., Забиякнн Ю.Е.. Леонов М.Б., Захарснков В.Ф., Иозеп Е.А., Львова В.Г.

составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ II ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВОК ЮСТИРОВКИ ЛАЗЕРНЫХ ВЫСОТОМЕРОВ, представленной на соискание ученой степени кандидата наук, использованы в деятельности ОАО «ТКС-Оптика» при разработке рабочей конструкторской документации в виде методик калибровки и юстировки: «Лазерный высотомср-вертнкант. Методика калибровки положений шарика измерительного щупа КИМ-750. ИС 120-000Д1». «Лазерный высотомер-всртикант. Методика юстировки оптической оси ИМ ЛВВ относительно линии пересечения привалочной плоскости ЛВВ и осей двух базовых отверстий (ось ОХ„). ИС 120-000Д2». «(Лазерный высотомер-всртикант. Методика юстировки положения центрального волокна волоконного объединителя пучков относительно оптической оси ИМ ЛВВ. ИС 120-000ДЗ». «Лазерный высотомер-вертнкапт. Методика совместной юстировки ИМ и ЛПМ ЛВВ ИС 120-000Д4», «Лазерный высотомср-вертикант. Методика юстировки угла разворота 45 градусов ИСК ЛВВ ИС 120-000Д5».

По результатам совместных разработок получено два патента. Использование указанных результатов позволяет повысить качество проемнровання. сократить затраты на проведение работ и повысить производительность труда при проектировании Результаты внедрялись при выполнении работ по теме: «Фобос-Грунг»

Председатель комиссии Архнпона Л 11. iia4.Lii.HHK IIO-5. гмвииП пшик

Члены кочно

I ^Захарснков В Ф , ведущий научный сотрудник Иозеп.Е-А., начальник департамент но качеств) Львова I) Г., начальник ОТК-ГлавиыЙ контролер

Приложение Б (справочное)

Технические характеристики и математическое описание в терминах программы Zemax объектива «Деймос» для установки совместной

юстировки ЛПМ и ПМ ЛВ

1800.zmx. GENERAL LENS DATA:

Surfaces

Stop :

System Aperture Glass Catalogs Ray Aiming Apodization Temperature (C) Pressure (ATM)

16

9

: Float By Stop Size = 163 : SCHOTT GOSTZ : Off

: Uniform, factor = 0.00000E+000 : 2.00000E+001 : 1.00000E+000

Adjust Index Data To Environment : Off

Effective Focal Length : Effective Focal Length : Back Focal Length : Total Track :

Image Space F/# : Paraxial Working F/# : Working F/# :

Image Space NA : Object Space NA : Stop Radius :

Paraxial Image Height : Paraxial Magnification : Entrance Pupil Diameter Entrance Pupil Position : Exit Pupil Diameter :

Exit Pupil Position : Field Type : Angle in degrees

Maximum Radial Field : 3

Primary Wavelength : 1.064 ^m Lens Units : Millimeters

Angular Magnification : 1.038252

1800 (in air at system temperature and pressure) 1800 (in image space) 1456.997 2095.179 4.028283 4.028283 4.028241

0.1231771 2.234202e-008 163 94.334 0

: 446.8405 418.3005 430.3777 -1733.717

Field Type: Angle in degrees # X-Value Y-Value Weight

119

1 0.000000 0.000000 1.000000

2 1.000000 0.000000 1.000000

3 2.000000 0.000000 1.000000

4 3.000000 0.000000 1.000000

Wavelengths : 1. Units: ^m

# Value Weight

1 1.064000 1.000000

SURFACE DATA SUMMARY:

Surf Type Radius Thickness Glass Diameter

OBJ STANDARD Infinity Infinity

1 STANDARD 1106.527 53.60427 N-LAK7 450

2 STANDARD 6230.735 11.55156 450

3 STANDARD 576.1 72.93617 TK21 436.6

4 STANDARD -2023.33 7.040581 427.2

5 STANDARD -2008.747 35.3612 BASF57 420.4

6 STANDARD 855.4559 119.3665 388.8

7 STANDARD 2761.339 26.45907 N-SF8 342.8

8 STANDARD 442.772 37.75677 326

STO STANDARD Infinity 58.88875 326

10 STANDARD -397.872 26.37793 OF6 326.2

11 STANDARD 593.1609 3.443156 355.2

12 STANDARD 616.0397 77.51968 STK3 359

13 STANDARD -602.9565 46.49613 365.8

14 STANDARD 5875.673 61.34691 TK21 372.4

15 STANDARD -839.8431 1457.03 373.2

IMA STANDARD Infinity

ELEMENT VOLUME DATA:

For centered elements with plane or spherical circular faces, exact volumes are computed by assuming edges are squared up to the larger of the front and back radial aperture.

For all other elements, approximate volumes are numerically integrated

to 0.1% accuracy. Zero volume means the volume cannot be accurately computed.

Single elements that are duplicated in the Lens Data Editor

for ray tracing purposes may be listed more than once yielding

incorrect total mass estimates.

Volume cc Density g/cc Mass g Element surf 1 to 2 7016.680395 3.840000 26944.052715 Element surf 3 to 4 6863.360605 3.980000 27316.175207

Element surf 5 to 6

Element surf 7 to 8

Element surf 10 to 11

Element surf 12 to 13

Element surf 14 to 15

Total Mass:

3752.752995 5932.898635 5219.637807 5405.273577

2.904000 10897.994699 1.000000 5932.898635 3.910000 20408.783825 3.980000 21512.988838 140784.039518

CARDINAL POINTS:

Object space positions are measured with respect to surface 1. Image space positions are measured with respect to the image surface. The index in both the object space and image space is considered.

Object Space Image Space W = 1.064000 (Primary) Focal Length : Focal Planes : Principal Planes : Anti-Principal Planes Nodal Planes : Anti-Nodal Planes :

-1799.999999 ■1450.552797 349.447202 -3250.552796 349.447202 -3250.552796

1799.999999 -0.033226 -1800.033225

1799.966773 1800.033225 1799.966773

пвг: а.вша. 0.Е00 DEG OBJ : 1.00 m. 0.000 0 DEG

s m m

es

XKRi a.00B oar: 2.S000, 0,000 №1 0-6003 0EG EHR; 31. OBJ"; 3.00 N20. 0,00 00, 0.000 0 MM 0 DEG

-А

â i

щ р

suffhce; ihr IMS: Й,8(Й, 0.003 NN IMR: 94,341, 0,00 0 MM

SPOT OIRGRRM

WED MRY 17 2317 UNITS ARE RIRÏ fiFDILIS

FIELD : 1

RMS RRDIU5 : 1,135

EED RR0IU5 : 2,716

SCRLE BRR : 50

5,229 pa 2 3 4

1.575 2.899 5.625 3.792 6,153 10,893 REFERENCE : CHIEF RRY

1S00.ZMX CONFIGURATION 1 OF 1

Рисунок ПБ.1. Диаграммы пятен рассеяния.

FRACTION OF ENCLOSED ENERGY

t-J u

ca о -o

1

TI

т

"TI 70 ID

n

m z:

п

TU

п

m

; J

m

aö <n

л

m а

□

!—! Œ

сn

TI g

ж о s

п

m К

г

н

73 ; ■

H

: : S

Ei

i-г

— s

СИ

s и (3 сэ

s -в

EJ

И El

' Gl

в ®

Gl Ш

а

о

-КЗ

M Е)

- S сэ ез сэ га сэ -а

- и

сэ ез о о s

Gl Gl 13

S) I_.

m

о cd

Приложение В (справочное) Вывод формул к Главе 2

В настоящем приложении приведён вывод формул 2.14, 2.15 для вычисления значений углов в, а также их неопределённостей Др, упоминаемых в Главе 2.

В общем виде, угол между двумя векторами (Р1Р2) и (Р3Р4), расположенными в одной плоскости, можно определить по формуле [39]:

О2-^1) X (*4 - *з) + (У2 ~ У1) X (У4 ~ Уз) - *1)2 + (У2 - У1)2 )(0ч - ^3)2 + (У4 - Уз)2) Где точки P1(x1,y1), P2(x2,y2), P3(x3,y3), P1(x4,y4), определяют вышеуказанные вектора. Если вектора имеют общее начало, то точки P1(x1,y1) и P3(x3,y3) совпадают, вектора становятся как (Р1Р2) и (Р1Р3), и формула приобретает вид

(X 2 - Xi) X (X з - Xi ) + (У2 - уО X (Уз - yj

COS Д23 - I

V((x 2 - Xi)2 + (У2 - У1)2 )((х з - Xi)2 + (Уз - У1)2 )

На Рисунке ПВ.1 показаны вышеназванные точки.

Рисунок ПВ.1. Графическое пояснение к определению углов р23 и р24 .

V((X2

Угол р24 находится аналогичным образом.

Вычисляя частные производные от функции угла (формула 2.5) по переменным, входящих в её состав, после алгебраических преобразований получим следующую формулу:

АВ = АХ • — • )2 + (*2~*З)2 + )2 + (П- У2)2 + (У2 - Уз )2 + (У1 - Уз )2

Р2 3 ТГ ^ ((^1-^2)2 + (У1-У2)2)Х ((^1-ХЗ)2 + (У1-У3 )2)

Где АХ = ДХ1 = ДХ2 = АХ3 = ДУ1 = ДУ2 = Д У3 .

Аналогичным образом находим Ар

24-

АВ = АХ • — • ГХ1-Х2 )2+(х2-^4)2+(^1-х4)2+(У1 -У2)2+(У2- У4)2+(У1 -У4 )2

Р2 4 " ТТ " ^ ((^1-^)2 + (У1 -У2 )2 )Х((*1-Х4 )2 + (У1- У4)2 )

Где АХ = ДХ1 = ДХ2 = ДХ4 = АУ1 = ДУ2 = ДУ4

Приложение Г (справочное)

Математическое описание объектива ПМ ЛВВ в терминах программы Zemax

FobZe1kom (2).zmx

GENERAL LENS DATA:

Surfaces :

Stop :

System Aperture Glass Catalogs Ray Aiming Apodization Temperature (C) Pressure (ATM)

9

1

: Entrance Pupil Diameter = 140 : SCHOTT INFRARED GOST : Off

: Uniform, factor = 0.00000E+000 : 2.00000E+001 : 1.00000E+000 Adjust Index Data To Environment : Off

Effective Focal Length : 199.418 (in air at system temperature and pressure)

199.418 (in image space)

Effective Focal Length Back Focal Length Total Track :

Image Space F/# : Paraxial Working F/# : Working F/# :

Image Space NA : Object Space NA : Stop Radius :

Paraxial Image Height : Paraxial Magnification : Entrance Pupil Diameter : Entrance Pupil Position :

8.366822 207.4892 1.424414 1.424414 1.422189 0.3312089 7e-009 70

3.480854 0

140 0

Exit Pupil Diameter : 108.215 Exit Pupil Position : 154.1973 Field Type : Angle in degrees

Maximum Radial Field : 1

Primary Wavelength : 1.064 ^m Lens Units : Millimeters

Angular Magnification : -1.293703

Fields : 2

Field Type: Angle in degrees

# X-Value Y-Value Weight

1 0.000000 0.000000 1.000000 2 1.000000 0.000000 1.000000

Vignetting Factors

# VDX VDY VCX VCY VAN

1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000

Wavelengths : 1 Units: ^m

# Value Weight

1 1.064000 1.000000

SURFACE DATA SUMMARY:

Surf Type Radius Thickness Glass Diameter Conic

OBJ STANDARD Infinity Infinity 0 0

STO STANDARD 184.4 10.7 ZNSE 140 0

2 FZERNSAG 360.686 104.47 140 0

3 STANDARD 59.625 8 ZNSE 76 0

4 FZERNSAG 73.664 37 76 0

5 STANDARD 129.506 3 TK16 36 0

6 STANDARD 22.803 32 30 0

7 STANDARD 30.144 4 TK16 20 0

8 STANDARD Infinity 8.3192 20 0

IMA STANDARD Infinity 7 0

SURFACE DATA DETAIL:

Surface OBJ : STANDARD

Surface STO : STANDARD Aperture : Floating Aperture Maximum Radius : 70 Surface 2 : FZERNSAG

Coeff on r 2 Coeff on r 4 Coeff on r 6 Coeff on r 8 Coeff on r 10 Coeff on r 12 Coeff on r 14 Coeff on r 16 Number of terms: Maximum rad ap Zernike Term 1 Zernike Term 2 Zernike Term 3 Zernike Term 4 Zernike Term 5 Zernike Term 6 Zernike Term 7 Zernike Term 8 Zernike Term 9 Zernike Term 10 Zernike Term 11 Zernike Term 12 Zernike Term 13 Zernike Term 14 Zernike Term 15 Zernike Term 16 Zernike Term 17 Zernike Term 18 Zernike Term 19 Zernike Term 20 Zernike Term 21 Zernike Term 22 Zernike Term 23 Zernike Term 24 Zernike Term 25 Zernike Term 26 Zernike Term 27 Zernike Term 28

0 0 0 0 0 0 0 0

37

: 72.2

0

0.004168759 -0.00012371523 -1.2360797e-005 -0.00013306979 0.0002491802 -1.3929055e-005 -1.454603e-006 -2.6311059e-005 2.9067645e-005 -5.0466363e-005 1.798606e-006 -1.9655391e-005 -4.548761e-006 6.370407e-006 -3.138071e-006 -4.4727548e-005 -1.007362e-006 -7.15277e-006 4.855141e-006 6.014426e-006 3.001622e-006 3.10166e-006 -2.55057e-007 -3.645813e-006 3.198754e-006 -1.0923151e-005 1.912469e-006

Zernike Term 29 7.48877e-007

Zernike Term 30 1.16488e-006

Zernike Term 31 -1.469285e-006

Zernike Term 32 4.23897e-007

Zernike Term 33 1.076624e-006

Zernike Term 34 -4.681553e-006

Zernike Term 35 7.03038e-007

Zernike Term 36 4.87875e-007

Zernike Term 37 -1.18215e-006

Aperture : Floating Aperture Maximum Radius : 70

Surface 3 : STANDARD Aperture : Floating Aperture Maximum Radius : 38 Surface 4 : FZERNSAG Coeff on r 2 : 0

Coeff on r 4 Coeff on r 6 Coeff on r 8 Coeff on r 10 Coeff on r 12 Coeff on r 14 Coeff on r 16 Number of terms: Maximum rad ap : Zernike Term 1 Zernike Term 2 Zernike Term 3 Zernike Term 4 Zernike Term 5 Zernike Term 6 Zernike Term 7 Zernike Term 8 Zernike Term 9 Zernike Term 10 Zernike Term 11 Zernike Term 12 Zernike Term 13 Zernike Term 14 Zernike Term 15 Zernike Term 16 Zernike Term 17 Zernike Term 18 Zernike Term 19

0 0 0 0 0 0 0

37

38 0

0.0043292328 0.00025861765 -2.2656544e-005 -0.00038307345 0.00011231819 -2.33811e-007 -9.857786e-006 -4.771573e-006 -7.2381328e-005 -2.8057141e-005 -7.459556e-006 6.44322e-006 -6.32425e-007 -7.422589e-006 -1.260452e-006 1.2278136e-005 6.625111e-006 -3.295086e-006

Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike Zernike

Term 20 Term 21 Term 22 Term 23 Term 24 Term 25 Term 26 Term 27 Term 28 Term 29 Term 30 Term 31 Term 32 Term 33 Term 34 Term 35 Term 36 Term 37

-1.233675e-006 2.602771e-006 -1.242809e-006

-2.687e-008 -2.548491e-006 -3.055179e-006 5.480514e-006 -4.356484e-006 -1.15029e-007 -1.507145e-006 3.35094e-007 -7.1431e-007 6.0992e-007 -1.705915e-006 1.142252e-006 -1.607482e-006 1.043661e-006 0

MULTI-CONFIGURATION DATA: Configuration 1 :

1 Wavelength 1 : 1.064

2 Thickness 0 : 1e+022

3 Semi-diam 1 : 70

Configuration 2:

1 Wavelength 1 : 0.648

2 Thickness 0 : 2402

3 Semi-diam 1 : 20

SOLVE AND VARIABLE DATA:

Semi Diameter 1 : Fixed

Semi Diameter 2 : Fixed

Semi Diameter 3 : Fixed

Semi Diameter 4 : Fixed

Semi Diameter 5 : Fixed

Semi Diameter 6 : Fixed

Semi Diameter 7 : Fixed

Semi Diameter 8 : Fixed

INDEX OF REFRACTION DATA:

System Temperature: 20.0000 Celsius

System Pressure : 1.0000 Atmospheres

Absolute air index: 1.000269 at wavelength 1.064000 ^m

Index data is relative to air at the system temperature and pressure.

Wavelengths are measured in air at the system temperature and pressure.

Surf Glass Temp Pres 1.064000

0 20.00 1.00 1.00000000

1 ZNSE 20.00 1.00 2.48196799 source: Handbook of Optics Vol. II

2 20.00 1.00 1.00000000

3 ZNSE 20.00 1.00 2.48196799 source: Handbook of Optics Vol. II

4 20.00 1.00 1.00000000

5 TK16 20.00 1.00 1.60028264

6 20.00 1.00 1.00000000

7 TK16 20.00 1.00 1.60028264

8 20.00 1.00 1.00000000 9 20.00 1.00 1.00000000

ELEMENT VOLUME DATA:

For centered elements with plane or spherical circular faces, exact volumes are computed by assuming edges are squared up to the larger of the front and back radial aperture.

For all other elements, approximate volumes are numerically integrated

to 0.1% accuracy. Zero volume means the volume cannot be accurately computed.

Single elements that are duplicated in the Lens Data Editor

for ray tracing purposes may be listed more than once yielding

incorrect total mass estimates.

Volume cc Density g/cc Mass g Element surf 1 to 2 112.481799 5.264000 592.104190 Element surf 3 to 4 29.944544 5.264000 157.628081 Element surf 5 to 6 6.061166 3.560000 21.577750 Element surf 7 to 8 0.991100 3.560000 3.528318 Total Mass: 774.838339

F/# DATA:

F/# calculations consider vignetting factors and ignore surface apertures.

Wavelength: 1.064000 # Field Tan Sag

1 0.0000, 0.0000 deg: 1.4222 1.4222

2 1.0000, 0.0000 deg: 1.4284 1.4401

CARDINAL POINTS:

Object space positions are measured with respect to surface 1. Image space positions are measured with respect to the image surface. The index in both the object space and image space is considered.

Object Space Image Space W = 1.064000 (Primary)

Focal Length : -199.418006 199.418006

Focal Planes : 257.987771 0.047622

Principal Planes : 457.405777 -199.370383

Anti-Principal Planes : 58.569766 199.465628

Nodal Planes : 457.405777 -199.370383

Anti-Nodal Planes : 58.569766 199.465628