Физические и математические основы, методы и средства создания сканирующих оптоэлектронных приборов и устройств динамического наблюдения и контроля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Самарский государственный университет

На правах рукописи Для служебного пользования Инв. номер.

Экз. Ж...Д-.......

ЯРОВОЙ Геннадий Петрович

ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СОЗДАНИЯ СКАНИРУЮЩИХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ ДИНАМИЧЕСКОГО НАБЛЮДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

Специальность 01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в виде научного доклада

Самара, 1998 г.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Катулин В.А. доктор физико-математических наук, профессор Котляр В.В. доктор физико-математических наук, профессор Салий И.Н.

Ведущая организация:

Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс"

Защита состоится 24 апреля 1998 года в _ часов на заседании

диссертационного совета Д 063.87.04 в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П.Королева по адресу: 443086, г.Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета

Диссертация в виде научного доклада разослана м 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н., профессор /й///}1 Шахов В.Г.

Общпя характеристика работы

А!стуалыюсть темы

Современное состояние л перспективы освоения мирового океана и космического пространства, совершенствование измерительной техники и техники контроля производственных процессов, а также необходимость решения многих других хозяйственных и оборонных задач требуют применения оптоэлектронных устройств с высоким разрешением, большой светосилой и возможностью передачи изображения по волноведущим (световедущим) конструкциям на значительные расстояния без существенных искажений по полю и с высокой скоростью.

Проблемы создания такгос оптоэлектронных систем представляют интерес с физической и прикладной точек зрения. Известны устройства, предназначенные для передачи изображения окружающей обстановки на расстояния с применением матричных приборов с зарядовой связью (МПЗС) и пространственно-временных модуляторов света (ПВМС), аналоговых и цифровых волоконно-оптических линий связи (работы Днанова Е.М., Скорикова В.М., Захарова И.С., Дубовика A.C.. Русинова М.М., Якунина А.Г., Гончаренко A.M., Гапрнндашвилн Х.И.. Казлаускаса П.В., Лобанова A.B., Игнатьева В.В., Усталова В.М. и др.). Анализ зарубежных литературных источников также указывает на ведущиеся интенсивные исследования и разработки оптоэлектронных систем передачи изображения на расстояние. Однако, созданные приборы как правило предназначены для наблюдения окружающей обстановки в статическом режиме, когда на время обзора не накладывается жестких ограничений, проблемы координатной привязки системы наблюдения, расположенной на корпусе базового аппарата не возникают. Кроме того, на размеры, вес и конструкционные материалы систем визуального контроля часто не накладывается жестких ограничений. Между тем, при решении ряда специальных задач наблюдет« окружающей обстановки, обнаружения и распознавания образов и др. необходимо выполнение ряда требований и критериев, которые предъявляются к оптическим узлам формирования визуального изображения. Эти требования относятся к габаритам, весу, скрытности (отражательной способности) аппаратуры с одной стороны, а с другой - к дальности, времени обнаружения (обзора), точности пеленгования наблюдаемых объектов, разрешающей способности аппаратуры. Кроме того, для решения ряда специальных задач наблюдения и обнаружения требуется вести обзор в реальном масштабе времени при больших углах обзора (до ?60°), вне стационарного корпуса аппарата (за бортом), т.е. с дополнительного выносного устройства, жестко не связанного с базовым аппаратом и меняющего во времени свою пространственную ориентацию, что затрудняет как сам процесс наблюдения, так и определение в динамическом режиме координат наблюдаемого объекта.

Актуальна также и проблема надежности работы оптоэлектронной системы наблюдения при наличии радиационных излучений (излучения ядерного, космического излучения, СВЧ-излучения и т.п.), которая требует гарантированной защиты элементов радио- и оптоэлектронных устройств от радиации.

Несмотря на значительное количество работ по созданию оптоэлектронных систем передачи изображений, вопросы, связанные с перечисленными выше

проблемами, остались нерешенными. Поэтому важное значение приобретает разработка физических и математических основ решения этих задач, проведение экспериментальных исследований и выработка оригинальных конструкций, которые эффективно функционируют при выполнении указанных выше ограничений.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка физических и математических основ, методов и средств создания новых, отличных от существующих как по характеристикам (меньший вес и габариты, меньшее время обзора, увеличенная дальность обнаружения и опознавания объектов и др.), так и по функциональным возможностям (работа в динамическом режиме колебаний, защищённость от различных видов излучений, обработка изображений в реальном масштабе времени, автоматический пеленг объекта и т.д.), оптоэлектрош1ых приборов и устройств наблюдения окружающей обстановки и контроля параметров ряда изделий в процессе их промышленного изготовления и испытаний.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

■ теоретически и экспериментально обосновать возможность создания оптического устройства наблюдения при круговом обзоре и дальнометрировании, работающего в динамическом режиме колебаний, и при условии пространственного разнесения оптических блоков формирования изображения и электронных блоков обработки оптической информации. Характеристики оптического устройства должны обеспечивать высокое качество изображения в плоскости электроннооптического преобразователя;

■ разработать методы стабилизации изображения при колебаниях оптической системы относительно плоскости неподвижного экрана наблюдения;

■ обеспечить необходимую устойчивость оптической системы при медленных колебаниях базового аппарата, на котором расположен оптический блок системы наблюдения;

■ обобщить теоретические исследования функционирования лазерных дальномеров и предложить устройство, совмещающее принцип оптического наблюдения и лазерного дальнометрирования;

■ теоретически исследовать влияние нестабильности работы лазерного излучателя на точность определения дальности оптическим локатором;

■ исследовать вопросы влияния проникающей радиации на элементы опто-электронных систем; разработать электродинамический метод расчета полосковой линии передачи с неоднородностями, которая используется в методе экспериментального исследования влияния СВЧ-излучения на элементы разработанной оптоэлектронной системы наблюдения;

■ на основе разработанных подходов и принципов предложить схему многофункциональной оптико-электронной системы наблюдения, воплотить ее в действующий макет и провести исследования характеристик и параметров системы;

я выработать практические рекомендации и указать пути дальнейшего совершенствования характеристик и расширения функциональных возможностей системы;

■ на основе предложенных принципов разработать ряд приборов с другими функциональными возможностями и условиями функционирования.

и Для проверки физических и теоретических подходов при разработке отдельных узлов оптоэлектронных устройств и снятия их параметров и характеристик разработать методики измерений и сконструировать специальные экспериментальные стенды

На защиту выносятся

1. Физические и математические модели функционирования, методы и средства создания оригинальных по конструкции и функциональному применению оптоэлектронных приборов и устройств визуального наблюдения окружающем обстановки и контроля качества изделий в процессе их промышленного производства.

2. Экспериментальный макет уникальной системы визуального наблюдения и дальнометрирования, который в своем функциональном использовании носит приоритетный характер, т.к. позволяет расширить возможности и получить улучшенные характеристики по сравнению с существующими системами наблюдения, а также повысить скрытность и боевую эффективность оборонной техники.

3. Решение проблемы стабилизации оптического устройства при колебаниях аппарата, на котором расположена оптическая головка системы визуального наблюдения, и пути дальнейшего совершенствования способов стабилизации.

4. Способы снятия информации с матриц ПЗС, позволяющие повысить точность определения координат наблюдаемого объекта, увеличить скорость обработки и объем передаваемой информации.

5. Методы повышения помехозащищенности и скрытности каналов связи, уменьшения масс-габаритных и энергоемких характеристик приемно-передающих оптоэлектронных устройств.

6 Методы анализа частотных характеристик нелинейных колебательных систем и нестабильности генератора опорного оптического сигнала для оценки ее влияния на точность определения координат лазерным дальномером.

7. Электролитический метод расчета структуры СВЧ-полей в полосковых линиях передачи для исследования влияния электромагнитного излучения на элементы оптоэлектронных устройств.

Научная и практическая ценность работы, реализация результатов работы

Проведенные в диссертации исследования направлены как на обобщение физических принципов и явлений, связанных с задачами формирования, передачи, преобразования оптического изображения и распознавания наблюдаемых объектов, так и на создание математических методов и приёмов, позволяющих моделировать эти процессы и широкий класс конкретных задач. Разработанные физические и математические модели, методы и средства послужили основой создания новых, оригинальных по конструкции и применению оптоэлектронных приборов и устройств динамического наблюдения и контроля.

Автором получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

■ Теоретически обоснованная модель и практически реализованный макет сканирующего оптического устройства кругового обзора с требуемым разрешением, временем обзора, минимальными габаритами и весом для обеспечения максимальной устойчивости устройства и предельной скрытности.

■ Методы стабилизации изображения при колебаниях оптической системы относительно плоскости изображения.

■ Принципы обеспечения устойчивости оптической системы при колебаниях базового аппарата на котором расположен оптический блок системы наблюдения.

■ Физически обоснована модель устройства, совмещающего принципы оптического наблюдения и лазерного дальнометрирования.

■ Новые способы снятия информации с ПЗС матриц, позволяющие повысить точность определения координат наблюдаемых объектов, увеличить скорость получения информации.

■ Методы теоретического анализа и результаты исследования нестабильности оптического излучателя для оценю! влияния на точность дальнометрирования.

■ Электродинамическая теория расчёта структуры СВЧ-поля в полосковых системах, позволяющая применить её для исследования воздействия СВЧ-нзлучения на оптические электронные приборы и устройства.

■ Экспериментальный макет уникальной оптоэлектронной системы наблюдения и дальнометрирования с передачей изображения по ВОЛС на расстояния до 1 км, позволяющей вести наблюдение окружающей обстановки с заданной степенью разрешения и в динамическом режиме колебаний базового аппарата.

Н Созданные и подтвердившие свою работоспособность в промышленности:

- оптоэлектронная система контроля качества внутренних поверхностей опытных изделий, позволяющая с высоким разрешением вести наблюдение за качеством поверхности в труднодоступных местах изделия (цилиндрические полости с изменяющимся диаметром, неосвещаемые внутренние полости и т.д.);

- оптоэлектронная система контроля электромагнитной совместимости элементов радиоэлектронной аппаратуры, позволяющая исследовать свойства радиоизделий в сильных СВЧ-полях, достигающих десятков мегаватт.

Полученные в работе результаты нашли применение на предприятиях оборонной промышленности в виде конкретных приборов и устройств, а также входят в содержание специальных курсов, читаемых автором на физическом

факультете Самарского государственного университета. Кроме того, часть результатов проведённых научных изыскании отражена в монографии [33]. которая рекомендована УМО по радиотехнике, электронике автоматике Министерства общего и профессионального образования РФ для межвузовского использования п учебном процессе радиотехнических н радиофизических специальностей.

Апробация работы

Основные положения н результаты работы докладывались на различных конференциях и семинарах, в том числе на X Всесоюзной научно-технической конференции "Электроника СВЧ" (Минск, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (Ленинград, 1984), Всесоюзной школе "Технические средства и методы исследования мирового океана" (Москва, 1987), II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниковыми и полупроводниково-диэлектрическнми структурами и проблемы создания интегральных КВЧ-схем" (Саратов, 1988), IV Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Новосибирск, 1989). IV Межгосударственной школе-семинаре "Техника, теория, математическое моделирование и САПР систем информации на ОИС СВЧ и КВЧ" (Москва, 1992), VII Всесоюзной школе-совещании "Стабилизация частоты и проблемы формирования сигналов радио- и оптического диапазонов" (Новороссийск. 1992). V Международной научно-технической конференции "Математическое моделирование на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ" (Сергиев Посад, 1995), Российской научно-технической конференции - секция "Проблемы электродинамического моделирования и реализации радиоэлектронных устройств и систем СВЧ и КВЧ диапазонов" (Самара, 1996), VIII Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ (Охотнно, 1996), IX Международной школе-семинаре "Электродинамика и техшжа СВЧ и КВЧ (Самара, 1997), а также на спецсеминарах, посвященных обсуждению проблемы исследования путей создания оптико-электронных систем специального назначения, в ведущих МИН и вузах страны: Могнлевском отделении института физики АН Белоруссии, Томском институте АСУ и радиоэлектроники, Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО), Физическом институте АН РФ, институте кибернетики АН Грузии, Московском институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии, Центральном специализированном конструкторском бюро (Самара), научно-производственном объединении автоматических систем, а также на спецсеминарах в ряде НИИ и КБ Минобороны и оборонпрома.

Публикациич личный оклад автора

Список научных работ автора состоит нз 75 наименований (в том числе 2 книги в централыгых издательствах, 4 авторских свидетельства), Список публикаций, отражающих основное содержание работы приведен в конце научного доклада и составляет 24 наименования [10-33].

В указанных работах автору настоящего доклада принадлежат: постановка задач и формулировка подходов к их решению, идеи, ряд теоретических и конструкторских решений, положенных в основу разработанных оптоэлектронных устройств наблюдения и контроля; руководство и непосредственное участие во всех экспериментальных исследованиях, анализе и обобщешш полученных результатов, а также в формулировании выводов и в определении перспективных направлений по дальнейшему совершенствованию разработанных устройств. В коллективных работах по разработке электродинамических методов решения задач распространения электромагнитных волн в различных однородных и неоднородных волноведущих конструкциях (волноводы, световоды, полосково-щелевые структуры и др.) вклад автора состоял в непосредственном выборе направления исследований, анализе полученных результатов и их апробации в читаемых специальных курсах и руководстве научными семинарами на кафедре радиофизики и компьютерного моделирования радиосистем Самарского государственного университета, в постановке задач, организации и руководстве научными исследованиями аспирантов и соискателей кафедры (защищено 4 кандидатских диссертации). Автору принадлежит обоснование новых возможностей электродинамической теории при решении актуальных задач проектирования интегральных схем СВЧ и решении смежных проблем радиофизики и электроники, а также анализ прикладных результатов построенной теории, которая может быть применена, в частности, и при разработке методики "инженерного" расчета элементов и систем передающих трактов в различных участках частотного диапазона, включая и оптический диапазон длин волн, при проектировании оптоэлектронных систем наблюдения и контроля.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основное содержание работы состоит в разработке физических и математических основ, методов и средств создания скашфующих оптоэлектронных систем динамического обнаружения и наблюдения объектов, а также оригинальных приборов для контроля параметров и характеристик ряда специальных изделий в процессе их изготовления и испытания.

1. Требовании, предъявляемые к оптическим и рабочим характеристикам систем наблюдения и визуального распознавания

1.1. Для достижения минимальной отражательной способности и скрытности оптического блока наблюдения геометрические размеры головки должны быть соизмеримы с существующими системами наблюдения (перископами, дальномерами и др.).

1.2. Оптимальный размер кадра выбирается из условий:

- линейные размеры приемников изображения (МПЗС, ПВМС, ЛПЗС) не превышают размеров промышленно изготовляемых изделий;

- распознавание объектов, расположенных на расстояниях Ь (10-15 км) и имеющих линейные размеры I (от 5 м и более).

1.3. Время обзора не превышает 4 с; скорость движущихся объектов до 300 м/с.

1.4. Светопропускание всей системы наблюдения не должно быть меньше 30%.

1.5. Оптические и электронные блоки системы должны быть разнесены в пространстве с целыо максимальной зашиты оптоэлектронных узлов от ионизирующих излучений различного вида.

1.6. Динамический режим наблюдения задается условием: частота колебаний выносного устройства с размещенной на нем системой визуального наблюдения -до 10 Гц, угловая амплитуда колебаний оси устройства - до 5°.

1.7. Координаты свободно перемещающегося выносного блока системы визуального наблюдения должны быть "привязаны" к координатам базового аппарата.

2. Критерии обнаружения и опознавания объектов

В отечествешюй и зарубежной литературе, к примеру в [1], описано большое множество объективов, их характеристик.

С учетом требований 1.1 и 1.2 необходимо было провести оценку возможностей создания оптической системы, используя основные оптические характеристики, к числу которых относятся: физическое расстояние, относительное отверстие, светосила объектива, угловое поле зрения, глубина резко изображаемого пространства предметов, разрешающая способность. частотно-контрастная характеристика, интегральный коэффициент светопропускания. распределение освещенности по полю изображения, коэффициент спектрального пропускания.

Эти характеристики являются взаимосвязанными. Так. влияние относительного отверстия следует рассматривать с учетом других характеристик поля и фокусного расстояния, а т.к. аберрации объектива возрастают пропорционально фокусному расстоянию, увеличению поля зрения и относительного отверстия, то трудно создать объектив, имеющий одновременно большое поле и большое относительное отверстие. Выбирая для оптической системы фокусное расстояние и диаметр входного зрачка, можно рассчитывать глубину резкости изображения, что особенно важно при решении вопроса о том, каким объективом допустимо производить наблюдение: с постоянным или переменным фокусом. При этом величину допустимого пятна рассеяния можно отождествить с размерами ячейки приемника изображения (размер оптоволокна, ячейки матрицы или линейки ПЗС), по размерам которого легко также подсчитать верхний предел линейного разрешения. Истинный предел линейного разрешения по полю изображения непосредственно связан с функцией передачи модуляции или, иначе говоря, частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ), которая, оценивая качество изображения, показывает изменение в изображении контраста в сравнении с контрастом объекта в зависимости от пространственной частоты. При использовании частотно-контрастной характеристики существенным является то, что общая ЧКХ системы "оптнка+приемник изображения" является произведением ЧКХ оптической системы и ЧКХ приемников. Если также добиваться равномерной освещенности по полю изображения, минимальных световых потерь на поглощение и отражение, то ясно, что схема расчета объектива применительно к требованиям, указанным в 1.1 и

1.2, должна быть оптимизирована, что является сложной задачей как в отношении построения оптимизирующего алгоритма, так и в отношении его реализации на ЭВМ (многопараметрическая модель).

Однако для получения принципиальных оценок как качественных, так и количественных, поступим следующим образом. Будем считать, что первоочередным параметром, который надо оценить, является размер кадра. Стоит задача опознавания объекта на расстоянии L при угле обзора 2со, линейные размеры объекта /, заданное разрешение N (лин/мм) по полю изображения. Воспользуемся аналогией из теории параметрической идентификации. Так, если мы имеем модель, зависящую от нескольких параметров, то коэффициенты (параметры) модели считаются статистически достоверными, если количество экспериментов по подбору параметров превышает количество параметров хотя бы на порядок [2].

Воспользовавшись этим рассуждением, предположим, что для опознавания геометрической формы объекта (т.е. его отличия от точки) необходимо, чтобы его изображение занимало такое физическое расстояние Г в мм, на которое приходилось бы не менее М пин, количество которых аналогично количеству экспериментов, необходимых для того, чтобы распознавание (в смысле отличия от точки и опознавания грубых геометрических форм) было статистически достоверным.

Если разрешающая способность N задана, то можно легко определить линейный масштаб изображения, который будет выражаться следующей формулой:

' I N1

Так как заданными являются расстояние до объекта L и требуемый угол обзора, то воспользовавшись данной формулой, найдем, на какую площадь можно принять требуемую для обзора поверхность объекта наблюдения, пользуясь при этом квадратичным масштабом М, = М]. Количественные оценки будут даны ниже.

Известна также оценка необходимого фокусного расстояния объектива [3] с учетом абберации дисторсии (масштабного искажения), которая приводит к нарушению подобия между предметом и изображением. Задача распознавания объекта при изменении его скорости перемещения в пространстве как по величине, так и по направлению, сильно осложняется при наличии искажений изображения. Построение алгоритма машинного распознавания образа объекта является сложной задачей и при этом нельзя заранее оценить время, необходимое для принятия решения. Поэтому в реальном масштабе времени более предпочтительным является визуальное решение задачи опознавания на экране наблюдения путем считывания информации с приемника изображения.

3. Решение проблемы стабилизации изображения

Поставим задачу стабилизации оптического изображения в плоскости неподвижного экрана, с которого происходит наблюдение, когда оптическая система может совершать любые независимые перемещения по всем трем координатным осям в системе координат {х',_у',г'}, связанной с оптической системой.

Вторую систему координат {v,j,r} жестко свяжем с центром экрана, с которого происходит наблюдение изображения. Сделаем следующее предположение. В начальный момент времени (или в любой другой) мы знаем относительное положение системы координат, а равные углы в предметном пространстве переходят в равные углы в пространстве изображений, т.е. известен масштабный коэффициент углового увеличения (а'~уаа, P'~J0P)- Поэтому в дальнейшем в записи будем пользоваться

обозначением для углов а, р. Развертка на экране наблюдения производится по закону /О). Развертка производится по углам а и /?, т.е. по осям д- и j, а угол учитывает поворот относительно вертикальной оси. Представим для простоты, но не ограничивая общности, картину развертки симметричной, т.е. а изменяется в пределах от значений a¡ до а2, пртгчем |а,| = |а2|. Аналогично pt<p<p2- |/?J = |/7:|. Тогда начало координатной сетки {х,^, г} располагается в геометрическом центре экрана. Способ развертки может быть различным (построчным, чересстрочным), что зависит от способа считывания изображения с приемника. Для определенности считаем его построчным. Тогда функция f(t) характеризует развертку по оси у, а piffpit) - развертку по оси х, гдеp¡ - параметр, характеризующий отношение высоты экрана к его ширине, a p¡ - количество строк в экране. В частном случае квадратного экрана p¡=l, и в дальнейшем опустим этот параметр, что не ограничивает общности рассмотрения. Стабилизацию изображения в поставленной задаче будем понимать в том смысле, что, если в начальный момент времени (или в любой другой) произведен пересчет из системы координат {х',у',2'}в систему координат {х,у, г}, то, имея на экране изображение какого-либо объекта или, проще говоря, точки, в дальнейшем при независимом перемещении (имеется в виду раскачивание оптической системы) по всем трем координатным осям и неподвижном экране, точка изображения не должна перемещаться по экрану наблюдения. Для этого необходимо иметь информацию об изменении углов а,р,у, которую можно получить, используя различного рода датчики. Данная информация поступает в ЭВМ для моделирования функций sin и cos, операций сложения и умножения и результирующие формулы преобразований по осям развертки на экране изображения, как несложно показать, имеют вид:

x=sin y[/(t)+pj + cos y[/(p2t) +a] y=cos y[/(t)+p] + sin у [/(p2t) +a] Отметим, что в данной постановке задача детерминирована. Влияние случайных помех с учетом вероятности их появления и плотности вероятности может быть в принципе оценено методами статистической физики с применением ЭВМ.

4. Оценка возможности создания различных функциональных вариантов оптической головки

4.1. Широкоугольный объектив с угловым полем обзора 2со=180° Анализ показывает [13], что разрешающая способность объектива по полю

изображения с целью распознавания должна быть не менее 40 лин/мм. Тогда, воспользовавшись аналогией с теорией параметрической идентификации и принципом статистической достоверности (см. п.2) будем считать размер V в поле изображения равным 0,25 мм. Оценим размер кадра, на котором мы отображаем площадь полусферы радиуса 10 км. Площадь полусферы 8=6,28■ 10а м2 . При этом учтем необходимость распознавания объектов, имеющих различные линейные размеры.

Пусть 1=25 м (воздушная цель). Тогда М/=}0~5, соответственно М^-10'10. Площадь кадра Б' =0,0628 м2, а для квадратного кадра его линейные размеры равны 25x25 см2. Если сравнить получающийся размер кадра с размерами существующих приемников изображения МПЗС, то становится очевидным, что применение широкоугольного объектива с углом поля зрения 2со=180° с заданной разрешающей способностью 40 лил/мм и условием работы с одним приемником изображения невозможно.

4.2. Оптическая головка в виде контейнера с несколькими неподвижными объективами

Такая система также должна принимать оптическую информацию с полусферы. При этом каждому объективу необходимо ставить в соответствие приемник изображения.

Очевидно, что оптическая головка должна иметь сотовую конструкцию, состоящую из большого числа узкозахватных объективов. Очевидны и недостатки такой головки, которые не удовлетворяют поставленной цели прежде всего по габаритам (см. п. 1.1). Кроме того, такой оптический блок имеет большой вес, неизбежны отические "завалы" на краях кадров, которые приводят к частичной потере необходимой информации; сложное устройство управления считыванием информации вследствие многоэлементности конструкции понижает надежность работы всей системы.

4.3. Оптическая головка с одним узкозахватным объективом

Оценивая перспективы использования оптической системы с одним объективом, необходимо задать минимальное время обзора всей полусферы, время экспозиции г приемников изображения. Исходя из этих требований, можно дать оценку минимальной частоты сканирования.

Пусть время обзора 4,0 с; время экспозиции для ПЗС т~10'4 с. Для матриц МПЗС, используя принятый масштаб 0'10, определим площадь наблюдения если площадь приемника изображения Я' =0,000045 м2 (ПЗС размерами 5x9 мм2, количество элементарных ячеек 512x588). Тогда 8=0,45 км2. Так как площадь полусферы на радиусе 10 км равна 628 км2, то необходимое количество кадров

порядка1400. Поскольку это количество кадров необходимо получить за 4 с. то скорость считывания с приемника изображения должна быть не менее 350 кадр./с. Из этого следует, что время, затрачиваемое на хранение, перенос и считывание информации со структуры ПЗС не должно превышать Змс. Если сравнить полученный результат с существующими характеристиками МПЗС (гм„„ "Ю'^'с, тма„=]0~3с), то решение задач сканирования с применением МПЗС становится возможным даже при значительно меньших временных обзорах.

5. Сравнительная оценка различных режимов работы сканирующего устройства

Рассмотрим основные режимы организации обзора (сканирования) с помощью оптической системы визуального наблюдения (СВН) на МПЗС; оценим время полного обзора и величину смаза изображения для разных способов сканирования и считывания информации.

Для удобства описания движения считаем, что имеется полусфера радиуса к, центр которой совмещен с матрицей ПЗС. На этой полусфере введем «параллели» и «меридианы». Тогда задача сводится к поиску такого режима движения сферического четырехугольника - кадра, при котором время полного обзора и величина смаза минимальны.

I режим (см. рис. 5.1). Обзор осуществляется последовательным прохождением всех параллелей; перевод на соседнюю параллель осуществляется дискретно, т.е. скачком за время Т\. Накопление информации в МПЗС и ее считывание осуществляется в покадровом режиме, т.е. в течение времени Т0 происходит накопление информации в секции накопления, которая затем переводится в секцию памяти и считывается.

Рис. 5.1. Схема перемещения кадра в Рис. 5.2. Зависимость AS' от широты

1-ом режиме параллели в\Л= 1м (а), 2.5 м (б), 5 м (в)

Рассчитаем величину смаза в данном случае, т.к. именно он определяет максимально возмож1гую скорость сканирования. За время накопления информации в МПЗС кадр смещается на величину \'Т0, где v - линейная скорость кадра на данной параллели. Величину смаза AS удобно определять как число элементов МПЗС, на которое произошел сдвиг изображения, т.е.

= (5.1)

Д

где А - линейный размер изображения одного элемента.

Допустимая величина смаза ДS^ определяет максимально возможную скорость v0 = А/Т0 . В дальнейшем для сравнительного анализа функциональных возможностей различных режимов скшшрования примем AS^ =1, т.е. допустимый смаз в один элемент. Это требование самое жесткое, оно обеспечивает полную четкость изображения и приводит поэтому к завышенным временам полного обзора. На самом деле для обнаружения объектов можно допустить большие ASúúa, что несколько уменьшит время обзора Т. Тем не менее, результаты сравнительного анализа не изменят общих выводов.

Таким образом, считая допустимой величину смаза в 1 элемент, найдем максимальную скорость v0:

(5-2)

'о

Заметим, что по мере увеличения угла в, под которым видны точки данной параллели над горизонтом (в - «широта)) данной параллели), радиус параллели уменьшается, что при неизменной угловой скорости приведет к уменьшению линейной скорости кадра. Компенсируя это уменьшение радиуса увеличением угловой скорости, можно уменьшить время полного обзора примерно в полтора раза. Расчет приводит к выражению:

T = TJN- (5.3)

v„ sin Р

Здесь N = к/Аар + 1 - число параллелей для полного обзора; 2/? = 232 А/Л -вертикальный угловой размер кадра при 9=0. Поскольку р «1, то в (5.3) sin/З -Да sin(2pN)~ 1. Тогда с учетом (5.2) имеем

Т=ф-+ (5.4)

В численных оценках использованы следующие параметры СВН: матрица А-1042 с числом элементов 288x232, линейное разрешение объекта Д на расстоянии R=10 км составляет либо 1,0 м, либо 2,5 м, либо 5,0 м; Tt=0,03 с, То=0,004 с. Результаты расчета Т по формуле (5.4) приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Д, м 1 2,5 5,0

2р, рад 0,0232 0,058 0,116

Т, час 3 0,5 0,2

Из таблицы видно, что время обзора в данном режиме велико.

II режим. Непрерывное движение кадра по параллели заменяется дискретным: в течение времени То кадр покоится, а в это время происходит накопление 1шформацин, затем в течение времени '/'_, кадр приводится в соседнее положение на той же параллели. После осмотра за время Тф параллели кадр переводится на

следующую параллель и т.д. Режим работы ПЗС в этом случае аналогичен предыдущему случаю покадрового считывания, необходимо лишь синхронизировать начало накопления с состоянием покоя кадра.

Очевидно, что в силу этой специфики дискретного движения данный метод характеризуется отсутствием смаза вообще. (Предполагается, что механическая часть устраняет различные паразитные колебания.)

Для времени полного обзора имеем следующее соотношение:

Т = + (5.5)

*=1

где 7"_> - время горизонтального скачка кадра, тк - число кадров, перемещающихся по К- параллели, N и 7'т имеют тот же смысл, что и в (5.3). Примем Тт~ тогда вторым слагаемым можно пренебречь. Результаты расчета приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Д, м 1 2,5 5,0

т 1,7 мин 0,28 мин 4,2 сек

III режим. В предыдущих двух режимах процессы накопления и считывания информации разделены во времени. Перспективным представляется такой способ работы ПЗС, в котором оба процесса осуществляются одновременно. В этом случае линейная скорость вращения кадра автоматически выбирается такой, чтобы за время накопления информации Tg кадр проходит расстояние, равное своей /шипе 2Ка (2а -угловой размер кадра в горизонтальной плоскости). Тогда линейная скорость

2aR Д • и ,, ..

— = (5.6)

■'о 'о

где п - число строк в МПЗС.

Сравнивая (5.6) и (5.2) видно, что в данном режиме линейная скорость вращения может бьггь сделана почти в триста раз большей. При этом для случая движения кадра, соответствующего рис. 5.1, время обзора уменьшается на два порядка.

При синхронном считывают, однако, сканирование по параллелям приводит к большой величине смаза. Причина возникновения последнего иная, чем в режиме I. Она связана со следующим обстоятельством. Вследствие конечных размеров кадра его верхние и нижние участки движутся по окружностям различного радиуса, а, значит, вращаются с различными линейными скоростями. Если скорость считывания синхронизирована с линейной скоростью центра матрицы, то вследствие указанной разницы изображение будет иметь характерные смазы, величина которых растет кверху и книзу кадра. Чем выше находится параллель, тем сильнее сказывается различие в радиусах и тем больше величина смаза. Расчет в этом случае дает:

ДS = ßn-tg(ß), (5.7)

где в - широта параллели. Зависимость смаза AS от широты параллели 0 при А=1 м, Л=2,5м, А=5,0 м представлены на рис. 5.2, из которого видно, что величина смаза превышает допустимую (1 элемент) уже при весьма малых в.

Рис 5.3. Схема движения кадра при меридиальиом сканировании

Избавиться от этого серьезного недостатка можно, если заменить параллельное сканирование меридианным (рис. 5.3). Этот способ объединяет в себе преимущество синхронного считывания (большая скорость вращения) с практическим отсутствием смаза. Для времени обзора в этом Случае имеем выражение:

Т = ТШ-+ (5.8)

8 ар

Данные расчета Т приведены в Таблице 3.

Таблица 3

Д, м 1,0 2,5 5,0

Т, сек 30 5 2

На основе проведенного сравнительного анализа может быть сделан вывод о том, что с точки зрения полного времени обзора и величины смаза предпочтительными являются:

- дискретное движение кадра по параллелям при работе МПЗС в покадровом режиме;

- непрерывное сканирование по меридианам при синхронизации наполнения и считывания с ПЗС со сканированием.

6. Анализ ионизирующего излучения на свойства элементной базы оптоэлектронных и волоконных систем при приеме и передаче изображений

Результаты анализа влияния радиации и СВЧ-излучения на отдельные элементы оптоэлектронных систем наблюдения существенно будут влиять на конструктивные особенности разрабатываемых устройств, предназначаемых для работы в различных условиях окружающей обстановки (космическое пространство, ядерный взрыв, мощное СВЧ излучение и т.п.).

Современная аппаратура, используемая для приема - передачи, преобразования и обработки информации, базируется на элементах микро- и оптоэлектрошжи. При этом к радио- и оптоэлектронным системам предъявляются требования по обработке больших объемов информации с высокой скоростью и минимумом искажений в условиях больших уровней проникающей радиации. Очевидно, что

работоспособность полупроводниковых приборов, оптоэлектронньгх приборов, волокошю-оптичесгагх устройств и надежность всей системы в целом будет зависеть от уровня радиационного излучения.

6.1. Анализ влияния проникающей радиации

Известны механизмы воздействия радиации на полупроводниковые приборы: возникновение фототоков, протекающих через обратно-смещенные электронно-дырочные переходы; резкое увеличение собственной проводимости полупровод1гаков, электрический и тепловой пробои переходов и др. [4].

В ПЗС структурах входные цепи весьма чувствительны к изменениям входного порогового напряжен™ при воздействии ионизирующего облучения; увеличение плотности поверхностных состояний зарядов ухудшает эффективность переноса в приборах с поверхностным каналом и увеличивает темповые токи в ПЗС с объемным и поверхностным каналами [5].

При воздействии радиации на волоконные световоды имеют место два основных оптических эффекта:

- возникновение люмшшсцентного свечения с максимумами на определенных длинах волн и конечными временами исчезновения [б] ( тс - единицы и десятки мкс); -увеличите оптических потерь [б], причем под действием радиации в волоконных световодах появляются наведенные потери, которые условно разделяются на стабильные, распадающиеся в течение длительного времени (может быть, более месяца), и нестабильные, распадающиеся за несколько минут.

6.2. Математические основы экспериментального метода исследований влияния СВЧ-изпучения на элементы оптоэлсктронных систем наблюдения

Одним из возможных способов моделировать физических испытаний влияния СВЧ-излучения на исследуемые объекты является создание искусственным путем электромагнитных полей сверх- и крайневысокнх частот в экранированных камерах на основе закрытых линий передачи. В СВЧ диапазоне самой простой линией является экранированная симметричная полосковая линия (Т - камера), которая эффективно работает в длинноволновой части сантиметрового и дециметровом диапазонах. При переходе к более коротким длинам волн электромагнитного излучения необходимо либо существенно уменьшить поперечные размеры линии, либо вводить дополнительные элементы для устранения высших типов волн. Отсюда целесообразно конструировать испытательные стенды на основе адекватных (по отношению к частотному диапазону) линий передачи. Разработан строгий электродинамический метод расчета электромапштных полей [27]. В качестве базовой линии передачи выбрана обобщенная экранированная структура с произвольным числом токопроводящих полосок в одной плоскости (рис. 6.1). Частные типы линий (компланарный волновод, связанные полосковые линии, симметричная полосковая лштя и т.п.) рассматриваются как варианты общей модели,

в которой области у>0 и у<0 содержат произвольное число п изотропных и анизотропных слоев.

1

1

W, Щ 3 ,Х

2

Рис. 6.1. Обобщенная экранированная Рис. 6.2. Экранированная симметричная полосковая линия полосковая линия (ЭСПЛ)

Составляющие поля внутри каждого и-слоя волноведущей конструкции обычно представляются в виде разложений по собственным тригонометрическим функциям частично заполненных волноводов [33]:

=ZCCy)cos(j3ax), ^", = ¿<)0)-sin(/?^), =¿^;>Wsin(/y„x),

wisO m=l m=l

н? H^=±h^(y)-cos(fimx), Л« =¿/£'00. cosfox),

«n=l т=0 т-0

где е™(у), е(*(у), /¿"¿(у), h£(y) - некоторые функции, зависящие

от координаты у. Правила построения этих функций хорошо известны. Например, выражения //"' (у) для изотропного слоя имеют вид:

= СЙ' sin у"у + C%cosy?y, Ai"' = С« sin у™ у + С« cos у^у, где yl"' -^K2e(-")fjin) - h2 -fil, eín>, - соответственно относительные

диэлектрическая и магнитная проницаемости слоя, h - постоянная распространения, Р,„ - поперечное волновое число, К - волновое число волны в вакууме, C^J (/ = 1,2,3,4) -постоянные коэффициенты.

Заметим, что множитель exp{-/Az} всюду опущен. В общем случае в формулы для составляющих электромагнитного поля входят четыре постоянных коэффициента С . С целью улучшения сходимости рядов в разложениях для составляющих полей собственных волн структуры постоянные коэффициенты С'^ выразим через

составляющие плотности тока j. и j' =—jx. Введем вектор плотности тока на

dx

полосках 7= {j,,j'x } Тогда ддя полей в поперечном сечении можно записать следующие интегральные представления:

2

к

Ём(*.у) = {+ ^ (V, г')]/

и

Н<"\х,у) = \[а)?{х,у, х') + (х,у, (6.2.1)

и

Контур представляет собой совокупность К отрезков на прямой у-О. соответствующих токопроводящим полоскам.

Элементы тензоров представляют собой быстросходяшнеся ряды,

тензоры содержат выделенные особенности на ребрах токопроводящих

полосок.

Интегральные представления (6.2.1) определяют поле в поперечном сечении Л1шии через распределения двух любых составляющих поля (плотности тока) в плоскости полосок. Интегральные представления (6.2.1) удобны при выводе интегральных уравнений для определения требуемых характеристик поля в структуре методом сингулярных интегральных уравнений. Алгоритм применения метода СИУ сводится к следующему [27]. Используя равенство нулю тангенциальных составляющих электрического поля на металлических полосках (либо их непрерывность на границах между слоями) соотношения (6.2.1) преобразуются в два СИУ относительно плотности тока на металлических полосках (у=0, хеЬС) или относительно тангенциальных составляющих напряженности электрического поля в зазоре между полосками (у=0, хеЬ„,, где Ь,„ - совокупность /;; отрезков в плоскости у=0, соответствующих щелям между полосками). При использовании известных соотношений обращения сингулярных интегралов типа Коши для регуляризации СИУ получается векторное интегральное уравнение Фредгольма второго рода с регулярным ядром, для которого существует общее аналит1пеское решение. Ядро интегрального уравнения выражается через элементы тензоров поверхностных адмитансов областей под и над полосковыми проводниками. Хорошо разработанная теория уравнений Фредгольма второго рода позволяет достаточно просто определять постояшше распространения, структуру полей и другие характеристики полосковых и щелевых линий с различными подложками и различным числом металлических полосок.

Репшше задачи значительно упрощается при переходе к экранированной симметричной полосковой линии (ЭСПЛ), поперечное сечение которой изображено на рис. 6.2. Дагшая линия выбрана базовой для исследований. Высокая электртеская прочность ЭСПЛ в режиме бегущей волны позволяет использовать мощный СВЧ генератор для создания в испытательной камере нужной напряженности электромагнитного поля, а значительный продольный размер дает возможность испытывать протяженные объекты различной формы. При расчете структуры поля важное значение имеют поперечные размеры рабочей зоны с заданной неоднородностью электромагнитного поля в заданной полосе рабочих частот.

В направлении оси г структура электромагнитного поля считается однородной. Для простоты считаем, что все элементы ЭСПЛ являются бесконечно тонкими и идеально проводящими. Без ущерба общности получаемых результатов примем размеры симметричной ЭСПЛ с воздушным заполнением равными а=2Ь , \У2-\У]=Ь.

Тогда с учетом симметрии электромагнитного поля в ЭСПЛ можно определить поле только в левой верхней четверти поперечного сечения структуры: в области д:б [о,а/2], у е [о,Ь\ Методом сингулярных интегральных уравнений были проведены расчеты распределения Ех и Еу составляющих поля в структуре. График зависимости модуля электрического поля Е = ^Е] + Егу от поперечных координат представлен на

рис. 6.3. Данные расчета позволяют определить рабочую зону в ЭСПЛ, в пределах которой структура поля является однородной [0,3 < х/а < 0,7+0,05 < у/Ь < ±0,б].

Рис. 6.3. Зависимость величины напряженности электрического поля от поперечной координаты в ЭСПЛ. у/Ь = 1.0 (1), 0.6 (2), 0.4 (3), 0.2 (4), 0.1 (5)

По графикам можно определить и допустимые габариты исследуемого объекта, и способы его размещения в ЭСПЛ. Вполне очевидно, что в зависимости от размеров и формы испытываемого объекта будет вноситься возмущение в поле ЭСПЛ, которое тоже поддается оценке. Будем считать в квазистатическом приближении, что первичное электромагнитное поле искажается сосредоточенной реактивностью. Известна эмпирическая формула для емкости С.5, которая вносится в линию (рис. 6.4а):

с.-рмб^-^у

где .V - площадь торца изделия, параллельная горизонтальной полоски линии, Я, и Н

определены на рисунке.

Легко рассчитать и емкостное сопротивление дг^. = 1/шС1, вносимое в линию на

определенной частоте.

Если испытуемый объект в виде цилиндра длиной ¡ь диаметром с

индуктивным сопротивлением х^=соЬ размещен, как показано на рис. 6.46, тогда

емкости С] и С2 могут быть определены методом зеркальных изображешн!, а

емкостное сопротивление неоднородности будет равно

С, +С, хс =———-. со С ,С 2

а) б)

Рис. 6.4 а, б. Варианты размещения неоднородностей в ЭСПЛ

С учетом вносимого реактивного сопротивления исследуемого объекта комплексное

сопротивление ЭСПЛ в месте расположения объекта будет иметь вид: 2

' гг+^-х,)2 г'.+^-х,)2'

где 7.0 - волновое сопротивление линии.

Показано, что на частотах со до 60 Мгц в данной ЭСПЛ при размерах объекта 43=0,2Ь, /»,=0,8Ь в имеет место хс>х^ и исследуемый объект вносит в линию реактивность емкостного характера при коэффициенте стоячей волны <1,05, т.е. практически не рассогласовывает линию. Таким образом, если выполняется условие с1г /Ь«1, неравномерность в распределении поля в ЭСПЛ практически не меняется. Это учитывалось в технике эксперимента при исследовании влияния СВЧ-поля на элементы оптоэлектрошшх и радиоэлектронных устройств.

6.3. Выводы

Анализ результатов влияния радиации и СВЧ-излучения на элементы опто-электронных устройств позволяет сделать следующие выводы:

- радиоэлектронные схемы и полупроводниковые приборы более подвержены воздействию радиации по сравнению с волоконными световодами, т.к. при определенных уровнях радиации (доза радиации свыше 105рад) и СВЧ-излучения (мощность свыше 10-104Вт) радиоэлектронные схемы и полупроводниковые приборы полностью выходят из строя, а в волоконных световодах при этих уровнях происходит лишь увеличение потерь и даже возможно просветление на некоторых длинах воли;

- целесообразно оптические и радиоэлектронные узлы разрабатываемой системы наблюдения разнести в пространстве так, что последние размещены в защитных от радиации и СВЧ-излучения корпусах или средах, а передачу оптического изображения на фоточувствительные матрицы (ПВМС, МПЗС) осуществлять по оптоволоконным жгутам с регулярной укладкой (ВОЖ).

7. Разработка устройства далыюметрирования

В оптоэлектронных системах наблюдения специального назначения существует проблема определения координат наблюдаемого объекта (дальности и угловых координат).

Разработка принципов дальнометрирования в настоящей работе ведется при выполнении поставленных выше условий: минимальных габаритов приемного оптического блока, максимальной устойчивости выносной штанги, на которой размещается оптический блок; необходимой радиационной защищенности электронных узлов обработки сигналов; максимальной скрытности способа далыюметрирования.

Очевидно, что для измерения дальности применимы лишь методы активной локации. Оптические локационные системы обладают преимуществами по сравнению с радиолокационными: меньшими габаритными размерами и весом, большей точностью измерений допплеровского сдвига частот, лучшим угловым разрешением, высокой точностью измерения дальности.

Поэтому при создании оптической системы наблюдения предлагается использование лазерных методов дальнометрирования. Если определяющим параметром выбрать дальность действия, то наиболее целесообразно использовать методы импульсного лазерного дальнометрирования [7]. Известно, что дальность действия импульсного дальномера зависит от параметров приемно-передающей системы и от степени ослабления мощности сигнала, несущего полезную информацию, в атмосфере. Задачей настоящего исследования являлась разработка оригинальной системы лазерного далыюметрирования, совмещенной с системой визуального наблюдения, которая удовлетворяет требованиям, изложенным в начале настоящего раздела. Очевидно, что размещение основных узлов системы лазерного дальнометрирования на выносном оптическом сканирующем устройстве (ОСУ) уменьшает устойчивость системы, увеличивает ее инерционность, что приводит к ухудшению стабилизации сканирующей системы и к ошибке определения координат наблюдаемого объекта (цели). Кроме того, размещение системы лазерного далыюметрирования в ОСУ увеличивает ее размеры и возможность обнаружения самой системы. При этом электронная часть системы минимально защищена от радиации.

Поэтому стояла задача разработать физические основы лазерной системы, размещенной в блоке, пространственно разнесенном с ОСУ. В такой системе возникают особенности в передаче и приеме оптического сигнала. Это связано с введением в систему далыюметрирования дополнительных оптических элементов, необходимых для вывода лазерного излучения от генератора (источника) к ОСУ и для приема отраженного от объекта сигнала. При этом необходимо добиться совмещения (либо параллельности) оптических осей системы наблюдения и локационной системы т.к. наблюдение и дальнометрированне должны вестись в режиме, исключающем потери объекта из поля зрения.

Для этого оценим возможность создания системы визуального наблюдения (СВН), совмещенной с системой лазерного дальнометрирования (СЛД), состоящей из трех независимых каналов для

- передачи лазерного сигнала,

- приема отраженного от объекта сигнала,

- визуального наблюдения окружающей обстановки.

При прочзгх условиях (шумы и ослабления в атмосфере) мощность принимаемого лазерного сигнала Г„р , отраженного от объекта, связана с геометрическим ослаблением сигнала следующим соотношением [7]:

Р л с

"Л _

р"> [п) л)'

где d0 - диаметр объектива приемной системы, Р„ер - излучаемая мощность, S -площадь поверхности отражения (см2), у - расходимость излучения передатчика (рад), ур - расходимость рассеянного измерения от днффузно отражающей поверхности (рад), R - дальность до объекта (км).

При проведении расчета дальности лазерной локации необходимо учитывать соотношение размера сечения (диаметра) лазерного пучка дальномера плоскости объекта и поперечного размера самого наблюдаемого объекта. Расстояние между локатором и целью, на котором эти размеры равны, называется граничной дальностью - /?,, т.к. оно разграничивает весь диапазон дальностей целей на два интервала: R<R, (протяженная цель) R>R: (точечная цель).

Возьмем случай точечной цели, представляющий наибольший интерес при практическом определении дальности. Выражение для максимальной дальности локационного лазерного обнаружения имеет вид:

г, _

' ( }

где К - коэффициент усиления передающей оптической системы, К0 - коэффициент общего пропускания приемно-передающей оптической системы, SA - площадь приемного зрачка объектива дальнометра, Sr - эффективно о тражающая площадь, Т>

- спектральный коэффициент пропускания оптической среды, О/ - раствор лазерного пучка, Р„ор- пороговое значение мощности сигнала на входе фотопрнемника. Выражение (7.2) указывает пути совершенствования системы лазерного дальнометрирования. Из него, в частности, следует, что оптическая система приемно-передающего канала должна иметь достаточно высокий коэффициент пропускания К0. Совмещение трех независимых каналов в единой системе СВН-СЛД является необходимым условием точного наведения дальномера на обнаруженный объект (цель). Общая схема такого совмещения представлена на рис. 7.1.

Излучение лазера 1 с помощью объектива 2 и фокона 3 вводится в световод 5 (4

- оптический разъем). Выходной торец световода располагается в фокальной плоскости коллимирующего объектива б, расположенного в приемной части ОСУ в одной плоскости с объективом 7 системы визуального наблюдения. Далее, проходя через сканирующую систему зеркал 8-9 и прозрачный защитный сферический колпак

10, импульс лазерного излучения направляется на обнаруженный объект. Отраженное рассеянное объектом излучение, пройдя через защитный колпак 10 и систему зеркал 8-9, собирается на приемном фоконе 11, имеющем форму кольца и расположенном вокруг объектива 7 системы визуального наблюдения. Приемный фокон передает сигнал через оптическое соединение 12 на торец световода 13, с которого излучение попадает на фотоприемник устройства дальномера 14.

Рис. 7.1. Схема совмещения СВН и дальномера

Размеры фокошюго кольца зависят от диаметра объектива СВН, находящегося внутри этого фокона, и размеров сканирующего зеркала. Кроме того, должно выполняться условие:

df ~ í/3 -cosa, (7.3)

где df - внешний диаметр фокона, c!¡ - диаметр сканирующего зеркала, a - угол наклона зеркала к плоскости фокона.

Часть рабочей зоны этого фокона занимает объектив, служащий для коллимации импульсного сигнала дальномера, прошедшего через единичное световолокно. Оставшаяся часть рабочей зоны фокона является приемником рассеянного от цели излучешш лазера, которое также по волокну поступает на приемник дальномера.

Таким образом, в состав приемно-передающего зрачка СВН с дальномером входят три независимых оптических элемента: объектив СВН, коллимирующий объектив и приемный фокон.

Из выражения (7.2) для определения максимальной дальности действия локационных лазерных систем видно, что дальность действия Ктга является функцией многих параметров. Нас интересуют те из них, которые меняются с введением дополнительных оптических элементов.

В предложенной новой системе лазерного дальномстрирования изменяется коэффициент общего пропускания системы Ко и площадь зрачка приемника В соответствии с этим для точечной цели

(7.4)

где 5/ - приемная площадь фокона; А - величина, не зависящая от дополнительной оптической системы передачи сигнала.

Для компенсации потерь лазерного излучения на дополнительных оптических элементах (зеркала, материал колпака, оптические разъемы, световоды, объектив) приемная площадь ."удолжна быть больше площади приемного зрачка дальномера Следовательно, должно выполняться условие:

(7-5)

Полагая пБ* и подставляя в (7.5), получим:

Отсюда п = 1 /К0 определяет, во сколько раз приемная площадь фокона больше приемного зрачка объектива дальномера. Таким образом, для определения п необходимо оцешггь общий коэффициент пропускания приемно-передающей системы.

Количественные оценки по известным из литературы данным, а также результаты специальных стендовых испытаний приемно-передающего тракта разработанного макета СВН-СЛД дали следующие результаты: Ктр=0,48-К!,52, Кпр=0,75Щ79. Следовательно, общее пропускание системы Ко- К,и.р К„г =0,36-ь0,42. Если взять в среднем К0=0,4 , то общая площадь фокона должна быть равной

- ~ - 2,5^. (7.6)

о

Выражение (7.6) использовалось при оценке предельных габаритов разрабатываемой головки оптоэлектрошюй системы наблюдения.

Новый способ снятия информации с МПЗС.

В совмещенной системе наблюдения и лазерного дальнометрнровання использованы принципы определения дальности до наблюдаемого объекта. Информация об угловых координатах (угол места и азимут) снимается с угловых датчиков перемещения системы наблюдения при наведении ее на объект. Для увеличешш точности определения угловых координат используется прием, основанный на новом способе управления накоплением и переносом зарядов в

матрице ПЗС, который описан в авторском свидетельстве [16]. Отличие его от известных способов считывания информации с МПЗС заключается в том, что с целью расширения функциональных возможностей (за счет получения информации о координатах источника амплитудно-модулированных оптических сигналов) перед переносом зарядовых пакетов из секции накопления в секцию памяти уничтожается зарядовый пакет в секции накопления со специально подобранной частотой.

Выбранный сигнал из зарядовых пакетов столбца и элемента строки содержит в себе информацию об угловых координатах источника амплитудно-модулированного сигнала относительно оптической оси системы наблюдения.

7.1. Физические модели и математические методы анализа устройств, генерирующих колебания в радио- и оптическом диапазонах длин волн

Примените автоколебательных систем (радиогенераторов, квантовых генераторов оптического и инфракрасного диапазонов (лазерных излучателей) и др.) и нелинейных систем преобразования сигналов и управления (модуляторов, квантово-электронных преобразователей и т.п.) в составе оптоэлектронных устройств, как правило, основано на физико-математическом моделировании и анализе протекающих в них колебательных и волновых процессов.

Возникающие при этом задачи можно разделить на два класса: моделирование динамических (детерминированных) процессов и анализ усредненных характеристик;

- исследование шумов и флуктуации в системе и оценка ее предельно допустимых характеристик (чувствительность, точность измерения и пр.).

Математическое моделирование динамических режимов нелинейных систем связано с проблемой интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений, так как в интересующем нас диапазоне длин волн для реальных физических систем справедливы модели с распределенными параметрами, то соответствующие дифференциальные уравнения являются нелинейными уравнениями в частных производных.

В рамках модового подхода, когда решение ищется в виде разложения по собственным волнам линейной системы, удается свести задачу к интегрированию нелинейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Но даже и в этом случае из-за отсутствия точных аналитических решений исследование проводится, как правило, приближенными методами.

Широко используется, в частности, асимптотический метод Боголюбова-Митропольского или родственные ему методы. При этом исходное уравнение движения преобразуется к системе дифференциальных уравнений для амплитуд и фаз колебаний, из которой, в свою очередь, вытекает система нелинейных алгебраических уравнений для их стационарных значений. Возникающая далее задача поиска корней нелинейных уравнений имеет, как правило, чисто технический характер и успешно решается численными методами.

Однако применимость полученных таким образом результатов ограничивается классом квазилинейных и квазиконсервативных систем. Для сильно нелинейных

систем результаты имеют скорее качественный, чем количественный характер. При этом в полной мере не используются возможности современной вычислительной техники.

Ниже описан эффективный численный алгоритм исследования стационарных режимов автономных нелинейных систем [24, 26]. Алгоритм представляет собой обощение метода дифференцирования по параметру на случай, когда система алгебраических уравнений для стационарных амплитуд и фаз не задана в явной форме. Процедура расчета сводится к решению на периоде колебаний задачи Коши для исходного уравнения движения и некоторой вспомогательной системы дифференциальных уравнений, полученной ниже. Таким образом, предлагаемый алгоритм не требует первоначального усреднения уравнений по быстро осциллирующим гармоникам и применим для сильно нелинейных систем.

Численный алгоритм анализа стационарных режимов нелинейных систем

Рассмотрим автономную нелинейную систему, описываемую уравнением

с12х/<И2 =/{х,(1х/Л,а), (7.7)

правая часть которого зависит от параметра нелинейности а. Введя нормированное время т=1/Т, где Т - период колебаний, из (7.7) получим

х = Т! /(дг, х/Т,а). (7.8)

Точками здесь обозначены производные по г.

Возьмем начальные условия для (7.8) в виде

х(о)=А, ¿(0)=0, (7.9)

где А - амплитуда колебаний. Обозначил» через х(т;А,Т,а) и х(т, А, Т,а) решите задачи Коши (7.8), (7.9) и его производную по времени и введем в рассмотрение функции

/"(Л, Г,а)=х(]-А, Г, а)-А,

С(А,Т,а)=х(1;А,Г,а), (7.10)

которые для задагаюго значения а в стационарном режиме обращаются в нуль при истинных значениях А и Г:

р(А,Г,а)= 0, (7.11)

0(Л,7>) = 0.

Полагая А и Т непрерывными функциями а и дифференцируя (7.11) по а , можно получить систему уравнений:

(1А _ ха хт - хт ха йа хтхл-(хА-\)хт'

(7.12)

¿а хтхА-(хА-\)хт'

В правой части (7.12) фигурируют значения производных от х(т\Л,Т,а) и х(т, А, Т,а) по переменным а, А, Тв точке г=Л. Чтобы найти их, продифференцируем (7.8), (7.9) по этим переменным:

дх дх да)' х„ (0;Л,Г,а) = 0, ха (0;Л,Г,а)=0,

Эх дх хА (0;А, Г,а)=1, хА(р,Л,Т,а}=0,

(7.13)

хт=г(дМт+^х\т(2/-дМ

х дх J ^ дх хт(0;А,Т,а)=0, хт (0;А,Г,а)=0.

В итоге алгоритм расчета стационарных режимов нелинейных и автоколебательных систем выглядит следующим образом. Сначала из физических соображений, либо методами многомерной оптимизации находятся значения А и Т для некоторого а. Используя найденные значения в качестве начальных условий, численно интегрируется система уравнений (7.12), правая часть которой на каждом шаге интегрирования находится путем решения задачи Коши (7.8), (7.9), (7.13). В каждом результате получаем зависимость установившейся амплитуды А и периода Т колебашш от параметра системы а.

Следует отметить, что поскольку в результате расчетов в пределах периода колебаний вычисляются значения x(t), то не вызывает затруднений анализ спектрального состава колебаний.

Описанный метод легко обобщается на случай нелинейных систем со многими степенями свободы. Hrate это сделано для случая нелинейных систем, находящихся под внешним, в том числе параметрическим, воздействием [28,32].

Алгоритм расчета частотных характеристик нелинейных систем

Рассмотрим нелинейную дисснпативную колебательную систему с N/2 степенями свободы, описываемую дифференциальными уравнениями

£=7Ы№). (7-Н)

а I

где х = х(1)- N-мерный вектор колебаний обобщенных координат, а векторная функция / учитывает нелинейности, диссипацшо энергии и внешнее воздействие на систему с(1). В дальнейшем будем для простоты считать, что внешнее воздействие имеет гармонический вид c(t) =Е cos cot с амплитудой Е и частотой со, хотя на самом деле оно может быть шобой периодической функцией I. Исследуем частотную зависимость максимального отклонения А от положения равновесия одной из

координат XI. Без ограничения общности можно считать, что это координата Л/, г.е.х, (г,)=Л, при /, (х(г,),<.'(*,),ё(',))=0-

Величину в дальнейшем будем называть амплитудой колебаний. Введя

безразмерное время со сдвинутым началом отсчета как

т = а(1-1^=0)1 -9 . получим систему уравнений (7.15) в виде

^ = + + (7.15)

а х со

где + 3) = Есовшт. Обозначим через х{г\А,9,ш) вектор решения задачи Кошм для системы (7.15) с начальными условиями при т=0

?(о;А,3,ш)=А, (7.16)

где А - произвольный вектор начальных смещений, и введем в рассмотрение векторную функцию

Р (а, 3, и)= 5 (: я; А, 9, со)- А (7.17а)

и скалярную функцию

о(ЯЭ,й)= /, (г(2л;Я»,со)^(Э),ш^(3)). (7.176)

В режиме установившгосся периодических колебаний для заданной частоты Р и й обращаются в нуль при соответствующих ей истинных значениях А и 9. Таким образом, задача поиска неизвестных начальных условий (7.16) и фазового угла 9 может быть решена методами поиска нулевого минимума целевой функции

д(ЯЗ,а)=£^(ЯЗ,о>)+Сг(ЛЗ,ш). (7.18)

1=1

При этом значение функции (7.18) на каждом шаге минимизации вычисляется численным интегрированием системы уравнений (7.15). Для систем с большим числом степеней свободы данная процедура требует, однако, значительных затрат машинного времени. Поэтому использование алгоритмов минимизации при анализе многостепенных систем целесообразно лишь для отыскания значений Аа и 50 на одной из границ со0 исследуемого частотного диапазона, а дальнейший расчет частотных характеристик проводить методом продолжения по параметру, роль которого играет частота внешнего воздействия. В данном случае для вектора начальных смещений А и фазового угла 9 можно получить систему уравнений, аналогичную системе (7.12):

йА (/ ш

¿9 с1 ш

дР ЭО дРдС дА ЭЭ 33 дА

дО

дР дО ЭЗ да

д£сЮ да 53

дА

~дР~ -1 дР дв' ![д° дО дР~ -а?;

_дА_ Эй ~ 5(Л)1 (^33 дА _дЛ_ д(х> У

Здесь символ [..]*' использован для обозначения обратных матриц.

дР дР дР

матрицы —векторов —, —.

ЗА д9 дсо'

(7.19)

Элементы дО дв Г<]

—— и величины —,—, в соответствии с дА дсо д9

соотношением (7.17а,б), выражаются через значения производных решения х[т,А,9,со) задачи Коши (7.15), (7.16) по параметрам А , со, вычисленные в точке т=2к. Для расчета этих значений, продифференцировав почленно систему (7.15) по указанным параметрам, получим уравнения

¿т

Э?

дА с/ т I £5 Э

(о дх и дх

дх

с/ Г Эг 1 д/ Эсо / и Эх

дА Эх'

эа

дх

дш

со ЭЕ,

со ш Э£,

(7.20)

Начальные условия для уравнений (7.20) находим, дифференцируя равенство

(7.16):

Ё*=1, 21 = 0, ^ = 0 при т = 0 (7.21)

дА ЭЗ Эсо

Здесь I - единичная матрица.

Таким образом, алгоритм расчета частотных характеристик колебательной системы сводится к следующей последовательности шагов. Вначале одним из методов многомерной оптимизации целевой функции (7.18) на границе а>„ исследуемого частотного диапазона находятся начальные значения А0, 50 для системы уравнений (7.19). Затем уравнения (7.19) численно интегрируются по частоте, причем их правые части на каждом шаге интегрировашш находятся путем численного решения задачи Коши (7.15), (7.16), (7.20), (7.21).

Описанный здесь метод расчета стационарных колебаний в нелинейных и автоколебательных системах не основан на априорных предположениях о квазигармо1шчности колебаний. Поэтому он применим для количественного исследования характеристик реальных существенно нелинейных систем. Одной из важнейших областей применимости метода является анализ чувствительности амплитуды и частоты колебаний к изменениям параметров системы и низкочастотных флуктуаций выходного сигнала.

Характерным примером решения такого рода задач является приводимая ниже методика расчета флуктуаций интенсивности излучения лазерной системы.

Анализ НЧ флуктуации в полупроводниковых инжекционных лазерах

В оптических системах передачи и обработки информации существенными являются низкочастотные шумы интенсивности излучения, которые имеют спектр вида 1// и вызваны, по всей видимости, флнккерными флуктуациями параметров активной среды лазера. Такие флуктуации могут быть обусловлены, например, наличием в образце дефектов типа двухуровневых систем, спонтанные переходы которых из одного состояния в другое приводят к случайным изменениям времен жизни фотонов в резонаторе г и возбужденных электронов г!. Ниже механизмы

[реобразования флуктуаций времен жизни г и тг во флуктуации интенсивности [азерного излучения промоделированы в рамках пространственно-временного юдхода к расчету флуктуаций в распределенных автогенераторах.

Рассматриваемая система представляет собой резонатор, образованный ктивным слоем длиной L и толщиной d с коэффициентами отражения на гранях г, и , в котором со скоростью v распространяются две встречные волны с плотностями ротонов 0 и X'(zj). Накачка осуществляется током с плотностью J, который :оздает инверсию населенностей N(z,t). Данная система описывается уравнениями 9]:

дР dD _ X,D roN Р

■-+ v--=TaNP + Tf)---,

dt dz т, тр

dD ЭР _ D

-+ v-= TaND--, (7.22)

dt dz тр

dN J N -=--aNP--—,

dt ed Tt

де P = X* + X~ ,D = X* - X~, Г - коэффициент локализации излучения в активном лое, р - коэффициент спонтанного излучения, а - коэффициент оптического 'силения, е - заряд электрона.

Граничные условия для системы (7.22) имеют вид

D(Q,t) = -PM(t), P(0J) = \^-PM0). (l-r1)P(i,/) = (l+r1)Da,/), (7.23)

де Pout (t) - плотность фотонов на выходе лазера.

Представим флуктуации параметров среды г, и тр в следующем виде:

-±- = ±(1 + „(г,0), Ф, 0 т0

[ричем относительные флуктуации v будем считать дельта-коррелированными по »ординате:

< v(z, a>)v'(z,, со) >= Sy(co)S(z - zt).

Введя нормировки

- t

Р = Раг„,£>' = Dazto,N' = Nar J' = J-—' = = —,

ed vxfo r„

стационарном режиме из (7.22) получим следующие динамические уравнения (так ак все величины нормированы, то здесь и далее штрих в irx обозначениях опускаем) ля Do = Do(2),Ро = P„{z)

dz 1 +Рк° и' r ^ -lb.

dz +Ра

; уравнения для фурье-образов флуктуаций D = D(z),lJ = i\z)

<к на

= а:2Р + Ь1у(г, со), = а210 + а22Р + Ь2у(г, со),

(7.25)

где

= Г*. - ТМ.-^а»

]Ш+Рс+\ ]С0 + +1 г„

а - частота анализа, а коэффициенты 6, и имеют вид :

Ъх=ТИ\р- Р° + Р Ь3= - для флуктуаций г, ,

Ьх = -Рс, = -Д, - для флуктуаций гг.

Координатные зависимости коэффициентов а6 - (2, со) и Ь, = (г, со) в системе флуктуационных уравнений определяются в результате решения граничной задачи (7.23), (7.24) описанным выше методом дифференцирования по параметру. Далее для спектра флуктуаций интенсивности излучения на выходе лазера получаем выраже1ше [30]

(®) = 1-^^-¡7 }, (Лв («, о>)Ь, (*,со)-Аи со)Ъ2 (*, со)) +

и с12 (Л, , (5, со)Ь2 а>) - А21 (я, (5, <у))| 1 ск,

(7.26)

где + + а " фундамен-

тальная матрица системы уравнений (7.25).

На рис. 7.2 приведены графики зависимостей коэффициентов преобразования спектров (со) в спектры флуктуаций интенсивности излучения на частоте со = 0 от тока накачки J.

Рис. 7.2. Зависимость уровня флуктуаций интенсивности излучения лазера от тока накачки

Графики приведены для типичных значений параметров лазерной структуры: ¿=300 мкм, ¿/=0,2 мкм, т =2 пс, г,„=4 не, а =2,8x10"6 см3с"' , Г=1, г, =г2 = 0,33. Пунктирные

линии соответствуют флуктуациям г,, сплошные - хр. В окрестности порога генерации больший вклад в шум интенсивности вносят флуктуации г,, а вдали от порога - флуктуации тг, что находится в соответствии с известными экспериментальными результатами. В запороговой области шумы вызванные флуктуациями г, выходят на насыщение, так как насыщается концентрация носителей заряда Ы, для флуктуации гр этого не происходит, так как плотность фотонов увеличивается с ростом J. Как и следовало ожидать относительные флуктуации имеют максимум в околопороговой области.

Описанная методика моделирования флуктуацнонных процессов позволяет проводить оценки уровней выходных шумов и выбирать оптимальные режимы и схемы генераторов электромагнитного излучения.

8. Оптическое сканирующее устройство

На основе рассмотренных выше физических принципов и способов обзора полусферического пространства наблюдения окружающей обстановки предложена конструкция оптического сканирующего устройства, расположенного в выносимой оптической головке оптоэлектронной системы наблюдения и контроля. Схема оптического сканирующего устройства представлена на рис. 8.1.

ОСУ содержит защитный оптический колпак 1, представляющий собой усеченную сферу, внутри которой расположены: плавающая на шариках по сфере стабилизируемая платформа 2, относительно платформы 2 на подшипнике 4 дискретно посредством двигателя 11 и грейферного механизма 12 вращается платформа 3. На вращающейся платформе установлены приводимое в движение двигателем 10 закрепленное в центре к оси вращения под углом 45° плоское зеркало 5 и жестко закрепленное под углом 45° к плоскости платформы 3 плоское зеркало 6. К платформе 2 по оси центрального отверстия жестко прикреплен объектив 7, форм1грующин изображение на торце ВОЖ 9. Между объективом 7 и торцом ВОЖ 9 расположена призма Цехана 8, которая вращается посредством зубчатой передачи 18 вместе с платформой 3 в том же направлении со скоростью в два раза меньшей, компенсируя при этом вращение изображения на торце ВОЖ. Повороты платформы 3 и зеркала 5 фиксируются датчиками углового положения 15 и 16.

Для облегчения конструкции предлагается использовать титановые сплавы при изготовлении платформ, оправ для зеркал, нижней части корпуса и других элементов.

Стабилизация системы происходит следующим образом: платформа 2 «плавает» на шариках 14, которые скользят по сфере.

Расположение шариков относительно платформы такое, что центр тяжести всей сканирующей части находится ниже плоскости, в которой расположены шарики. Такое расположение создает маятниковую систему.

При изменении наклона штанги, на которой жестко крепится корпус системы, плоскость платформы 2 сохраняет свое нормальное - горизонтальное- положение за счет маятниковых сил. Заметим, что в случаях отсутствия гравитационных сил

стабилизация устройства может быть осуществлена гироскопами. Колебания, возникающие в системе при изменении угла наклона штанги гасятся поршневыми амортизаторами 13 с вязкой жидкостью, имеющие благодаря шаровым соединениям 17 необходимые степени свободы.

Сканирование пространства зеркалами 5 и б происходит следующим образом. Азимутальный угол наблюдаемой площадки пространства устанавливается платформой 3, вращение которой происходит дискретно на угол в, заданный углом зрешш системы. Угол места изменяется зеркалом 5 непрерывно при фиксированном положении платформы 3. Перемещение зеркала 5 происходит таким образом, что плоскость Р, образованная осью вращения и нормалью из центра зеркала к его плоскости, вращается относительно плоскости платформы 3 от 0° до 180°, после чего происходит поворот платформы 3 на угол в и плоскость Р поворачивается в обратную сторону от 180 до 0°. После каяздого поворота зеркала 5 в ту или иную сторону происходит сдвиг платформы 3 на угол в. Просмотр всего заданного пространства (полусферы) происходит при повороте платформы 3 на 180°.

Из соображений максимальной скрытности оптического устройства, изображенного на рис. 8.1, естественным представляется проведение оптимизации расположения зеркал и их размеров в зависимости от диаметра входного зрачка объектива (при освещаемой площадке зеркалом 6), угла а, под которым устанавливается зеркало б к уровню горизонта и угла со, характеризующим половину угла поля зрения объектива. Так как фокусное расстояние является задаваемым

Рис. 8.1. Схема оптического сканирующего устройства

параметром, то следует рассмотреть несколько значений диаметра входного зрачка системы, тем самым, учитывая различные значения светосилы. Для оценки изменения оптимальных размеров данной сканирующей системы достаточно взять два значения утла со - 1° и 5°. Располагая центр входного зрачка объектива в начале системы координат, которую необходимо ввести для расчетов, легко получить, пользуясь правилами аналитической геометрии необходимые формулы для размеров зеркал и точек расположения их оптических центров, а также координат краев зеркал. Не приводя очевидных (однако существенно нелинейных) расчетных формул, заметим, что в процессе оптимизации целевая (минимизируемая) функция может быть выбрана различным образом.

В нашем случае оптимизация проводилась таким образом, чтобы минимальным было расстояние от начала координат до дальнего края зеркала 5 либо зеркала 6. Какой именно край выбирается в результате, автоматически учитывалось в программе, которая дает следующие результаты:

Таблица 4

<о=1°

Г) (мм) а° Lj(muJ R(MM)

50 20 56 59 89

80 19 88 95 142

106 19 110 119 178

ш=5°

50 22 70 91 124

80 24 110 143 199

100 22 138 181 247

В приведенной выше таблице а - оптимальный угол установки зеркала б, Ls и ¿й - наибольшие линейные размеры соответственно зеркал 5 и 6, D - диаметр освещаемого зеркалом 6 пятна (при диаметре входного зрачка объектива), R минимальный радиус сферы, в которую вписывается рассчитываема оптическая система.

Оптимизация проводилась для 0<а<45°. При а>45° очевидно, что размеры всей системы будут непосредственно больше, чем при а<45°, так как значительно возрастает L6 из условия перекрытия зеркалом 6 угла поля зрения объектива.

9. Принципы определения координат выносного блока наблюдения относительно стационарного корпуса (за бортом) аппарата

Рассмотренные ранее принципы кругового обзора (наблюдения) обстановки в верхней полусфере и определение координат наблюдаемого объекта не представляют принципиальной трудности при размещении СВН на прочном корпусе аппарата, т.к. координаты определяются относительно координат места нахождения аппарата. Однако задача значительно усложняется при размещении СВН на устройстве, жестко не связанном с основным аппаратом и находящимся на значительном расстоянии от

пего. Как правило, связь с выносным устройством осуществляется посредством кабеля. Следовательно, в данном случае необходимо дополнительно знать координаты выносного устройства относительно основного аппарата.

9.1. Электромеханический способ определения координат конца кабеля относительно основного корпуса аппарата [8,131

Деформирование кабеля происходит путем либо растяжения, либо изгиба, при котором срединная линия не изменяется, а плоскости, ортогональные этой линии до изгиба, остаются ей ортогональными и в процессе изгиба. Отсюда по измерениям изменений длин периферийных линий кабеля после его деформировать можно выразить координаты одного торца кабеля относительно другого.

Рассмотрим устройство, изображенное на рис. 9.1. За начало отсчета выберем жестко закрепленный торец кабеля на основном корпусе аппарата. Расположим систему координат таким образом, чтобы осевая (срединная) линия кабеля проходила через начало координат. Плоскость торца кабеля совпадает с плоскостью хоу. Выберем периферийные точки 1,2,3, расположенные на равных расстояниях г от осевой линии кабеля и с углом между ними в 120°. Координату х проведем через точку 1. До деформации длина линии кабеля I. После деформации кабель займет изогнутое положите (провисание кабеля). При этом центр кривизны средней линии кабеля будет лежать в плоскости хоу, а радиус кривизны Л будет образовывать угол в с осью х.

х

У

Рис. 9.1. Схема определения координат деформированного кабеля

Тогда изменение длины линий кабеля 1-1, 2-2, 3-3 можно выразить следующим образом:

I - (Я -г со$в)<р = а,

/-

/-

R-rcoSi — + (

(9.1)

R + г со

Решая систему (9.1), определим необходимые величины для определения координат свободного конца кабеля:

31-а-Ь-с

R-.

<Р~

7(2в - Ь - с)' + 3(6 - с)2 7(2 a -b-cf + 3(6 - cf

в = arclg

Jï-

3r

b — с

(9.2)

2a-b-c_

Координаты конца кабеля будет определяться следующими выражениями:

x' = /i(l - cosp)cos#; y = /?(l-cos(2>)sin0; :' = Rsin<p. (9.3)

Следовательно, для определения координат свободного конца кабеля необходимо замерить изменения длин а,Ь,с. В качестве датчиков можно использовать емкостные, индуктивные или резисторные тензометры, которые позволяют определять деформации длин с точностью 1(Л-10'3. Заметим, что соотношения (9.3) получены для чистого изгиба кабеля с постоянным радиусом кривизны R. При переменном радиусе кривизны всегда можно выделить участок кабеля, для которого можно считать изгиб с постоянной кривизной R. Располагая датчики на выделенных участках разбиения кабеля и устанавливая связь между этими датчиками, можно определить траекторию кабеля в пространстве при произвольном изгибе.

Координаты последующего датчика относительно координат предыдущего будут выражаться следующими формулами:

хг = х\ +аих2 +ачУ2 + «и':';

Уг =У\ +а22>'з +агг:'г, (9.4)

гг =г1 +

Здесь Xi, yi, zj - координаты первого датчика относительно начала кабеля; л координаты второго датчика относительно первого; / = 1,2,з)- направляющие косинусы.

Бортовая компьютерная обработка сигналов с датчиков дает возможность определять координаты конца кабеля, к которому крепится выносное устройство наблюдения. Следует отметить, что данная система может работать в режиме реального времени. Испытания на макете показали возможность определения координат электромеханическим способом с точностью 2%.

10. 1. Оценка влияния колебаний оптической системы па визуальное наблюдение объекта

Для простоты предположим, что СВН расположена на выносном блоке в виде шара, а оптический блок крепится на штанге. Центр тяжести системы расположен в геометрическом центре шара. Рассмотрим колебание шара около трех осей х1 ,у1,2! с соответствующими углами отклонения ,0к и вр (рис. 10.1). Так как объектив оптической системы имеет ограниченный угол поля зрения 2а, то колебание штанги влияет на работу оптического блока.

Рис. 10.1. К оценке влияют колебаний оптической системы на визуальное наблюдение объекта

С оптическим блоком свяжем декартову систему координат х у г. Пусть в начальный момент времени 1=0 объект находится в точке А с координатами х0 , Уо, ¿о-

Затем за время I он переместится в точку В со скоростью V. = +г~ +/г , где проекцнии /, г, п вектора г задают направление движения объекта.)

Рассмотрим сначала влияние колебания штанги на визуальное наблюдение за объектом. Теоретический анализ дает следующие неравенства [13]:

ч2

1

>82а

(х0 +// + •Л/.-УГ^соГ^7• со^-у^ + (л +г!~ ■ ,/1-сое|

(10.1)

-4—{(х0 +1'У +[()'о + :1-1 + 1со$в1)ах(011 +?) + {:„ + Ш ± Ьяп в1)$т(вк +у)]:}<

<ё'а

<[-(у0 +!1-Ь + Ьсоъв1с)-ът{вк + и1 ± ¿вт вк)со%(вк +

(10.2)

-1-{[(г0 +И)соивг±(гв +(у0 +г/)3}< [-(*„ + //)яп0, ±{:0 + #1/)ам0,]\ (10.3)

Формулы (10.1)-(10.3) устанавливают ограничения на углы 9г,вк и 0р отклонения штанги длиной Ь от соответствующих осей х,, у, и при которых наблюдаемый объект не выходит из поля зрения объектива 2а , оптическая ось которого составляет с осью штанги (ось 2у) угол 90°+у.

Колебания выносного блока СВН влияют и на качество изображения. Качество изображения зависит не от величин угловых колебаний штанги, а от скорости их изменения. Скорость угловых колебаний приводит к «смазыванию» изображения. Теоретический анализ дает следующие допуски по скоростям углового перемещения штанги:

Дг = ДП<—-—, ДТ<----(10.4)

\0ТСт.ца

Здесь - угловые скорости колебаний штанги по соответствующим осям, 3 -

разрешающая способность оптоэлектронной системы объектива, Темах - время считывания информации.

Исходя из ограничений искажения (смазывания) контуров объекта, выражения (10.4) устанавливают допуски на скорости качки базового аппарата но соответствующим осям и служат основой для разработки способов стабилизации всей системы визуального наблюдения. Рассмотрим пример таких оценок. Поскольку в разрабатываемой СВН в качестве приемника изображения используется ПЗС матрица, скорость считывания информации с ПЗС матрицы 50 кадров в секунду, следовательно, ТСаа = 0,02с. Разрешающая способность 5 зададим из условия, например, что на расстоянии 25 км необходимо обнаружить объект диаметром м и с!2= 5 м. Соответственно =1,2-10"' рад , <5, =2-10-1 рад. Используя формулы (10.4), получим для 2а=5°:

|Д7, =ДП<6-10-4с~' 1ду2 = ДП, <10"'с"'

{дЧ', < 0,0139 • с '' |дЧ', < 0,023с'1

Видно, что ограничения по скоростям угловых перемещений довольно жесткие.

10.2. Разработка методик измерений характеристик отдельных узлов СВН, созданне испытательных стендов

Для проверки физических и теоретических подходов при разработке отдельных узлов оптоэлектронных систем и снятия их параметров и характеристик в соответствии с существующими ГОСТами были разработаны методики измерений и сконструированы следующие экспериментальные стенды:

- стенд для определения разрешающей способности системы визуального наблюдения в целом и отдельных ее оптических узлов;

- стенд для исследования параметров аналоговой и цифровой волоконно-оптических линий передачи изображения;

- стенд для исследования свойств оптических передающих и приемных модулей;

- стенд для исследования затухания в оптических волоконных и регулярных волоконно-оптичесюге жгутах;

- стенд для исследования пространственно-временных модуляторов света;

- стенд для исследования влияния СВЧ-излучения на элементы оптоэлектронных устройств мощностью до десятка мегаватт;

- стенд для гидравлических испытаний элементов СВН с гидростатическим давлением до 60 кГ/см2;

- стенд для определения координат выносного несущего устройства относительно корпуса основного базового аппарата;

- стенд для механических испытаний оптических волокон.

На основе проведенных экспериментальных исследований были получены характеристики и параметры отдельных узлов оптоэлектронных систем, которые удовлетворяли поставленным выше задачам. Работа устройств изложена в разделе 11 доклада.

11. Реализация рассмотренных физических и математических принципов

в разработке оптоэлектронных устройств различного функционального

назначения

В настоящем разделе представлены функциональные схемы действующих макетов приборов и устройств наблюдения и контроля, дано описание их работы, функциональных возможностей и характеристик.

11.1. Оптоэлектронная система кругового обзора

Разработанный макет СВН состоит из трех основных комплексов (рис.11.1): выносной оптоэлектронный комплекс (ВОЭК), располагаемый на выносном базовом устройстве (ВБУ); волоконно-оптический и проводной кабель связи (КС); комплекс обработки информации и управления (КОИУ), располагаемый в основном корпусе аппарата.

Рис. 11.1. Функциональная схема СВН

На схеме (рис. 11.1) представлено следующее блочное построение:

■ механически стабилизируемая оптическая сканирующая головка с лазерным излучателем (ГОЛС);

■ устройство сканирования (УС);

■ блок оптоэлектронных угловых датчиков (ДО');

■ волоконно-оптический жгут с регулярной укладкой (ВОЖР);

■ электронный блок лазерного дальномера (ЛД);

■ фотоприемник оптического изображения на основе матричного прибора с зарядовой связью (МПЗС);

■ электронный блок формирования видеосигнала (ФВС);

■ передающий блок аналого-цифровой волоконно-оптической системы связи (ПАЦ-ВОСС);

■ кабель связи (КС), включающий волоконно-оптическую лишпо и проводную линию;

■ приемный блок аналого-цифровой оптической системы связи (ПРАЦ-ВОСС);

■ блок аналого-цифрового преобразования (АЦП);

■ блок обработки данных угловых датчиков положения и управления двигателями системы сканирования (БОУД);

■ блок обработки данных дальномера (БОД);

■ блок сопряжения с микро-ЭВМ (БС);

■ блок обработки информации - специализированная ЭВМ (БОИ);

■ накопитель информации на магнитном носителе (НМЛ);

■ дисплей (Д);

■ устройства отображения видеоинформации (телевизор цветного изображения ТУ-8 и черно-белого изображения ТУ-б);

■ световое перо (СП);

■ функциональная клавиатура (ФК);

■ устройство документирования принимаемой информации (УДИ) термопечатающее устройство (ТПУ), видеомагнитофон.

Функциональные связи менаду указанными блоками макетного образца СВН осуществляются следующим образом.

Видеоинформация об объекте из сектора наблюдения, в направлении которого установлена оппгческая сканирующая головка (ГОЛС), через зеркально-линзовую систему поступает на вход волоконно-оптического жгута с регулярной укладкой. ГОЛС располагается на штанге выносного базового устройства и содержит излучатель лазерного дальномера, приемные объективы видеоинформации и отраженного от объекта лазерного излучения (оптические оси этих систем колленнарны и практически совпадают); оптоэлектронные датчики углового положения оптической оси ГОЛС, устройство сканирования.

При медленных колебаниях (качаниях) ВБУ-ГОЛС стабилизируется относительно вертикальной оси по принципу маятника на элементах трения, качения и жесткости. Волоконно-оптический жгут (ВОРЖ) переносит информацию на фотоприемное устройство на ПЗС-матрице. Электронный блок ФВС формирует с

ПЗС-матрицы видеосигнал, который поступает в передающий блок ПАЦ-ВОСС. В блок ПАЦ-ВОСС поступает также информация с оптоэлектропных датчиков угловых положений оптической оси ГОЛС по углу места и азимуту и от лазерного дальномера. ПАЦ преобразует электрические сигналы в оптически модулированные сигналы. Передающий блок ПАЦ-ВОСС осуществляет передачу информации по трем отдельным оптическим каналам: видеоканалу, каналу дальности и каналу угловых положений. Электронные узлы, блоки лазерного дальномера, ПЗС-матрица, ФВС и ПАЦ-ВОСС расположены внутри прочного металлического корпуса ВБУ.

Оптические сигналы из ПАЦ-ВОСС по волоконно-оптическим линиям КС поступают в ПРАЦ-ВОСС. ПРАЦ-ВОСС преобразует оптические сигналы снова в электрические, которые поступают для дальнейшей обработки в различные блоки. Видеосигнал поступает в блок АЦП, где преобразуется для ввода в ЭВМ (БОИ). Информация о дальности и угловом положении цели через блоки БОД, БОУД и блок сопряжения (БС) поступает для дальнейшего анализа в блок обработки информации (БОИ). В БОИ происходит окончательная коррекция сигналов и ввод в ЭВМ. Обработанная в БОИ информация по программе, заложенной в ЭВМ, выводится на пульт управления. Пульт управления состоит из стандартных периферийных устройств ввода-вывода: алфавитно-цифрового дисплея, накопителя информации, видеоконтрольных устройств (ВКУ), устройств документирования (УДИ), термопечатающего устройства (ТПУ), видеомагнитофона, а также функциональной клавиатуры (ФК) и фотосчитывающего устройства - светового пера (СП).

Функциональная клавиатура служит для подачи команд управления СВН и выбора программы обработки информации. Команды для управления СВН и выбор режимов работы БОИ осуществляет через БС на блоки БОД и БОУД. Преобразованные сигналы в БОД и БОУД через проводные линии КС поступают на УС и ЛД. После поступления команды на УС оптической головки производится обзор всей полусферы по заданному с пульта управления закону. По сигнал)', поступающему на ЛД, срабатывает лазерный дальномер и определяется дальность до объекта.

Функциональные связи внутри БОИ построены по гибкой архитектуре. Такое построение позволяет менять режимы работы в зависимости от возникающих условий и программного обеспечения ЭВМ.

Реализация режимов работы макетного образца СВН зависит от конструктивных решений и программного обеспечения. Каждый элементарный режим работы СВН реализуется своей подпрограммой, являющейся частью всего программного обеспечения.

В созданном макете СВН реализованы следующие основные режимы работы: и визуальное наблюдение в верхней полусфере на экранах ВКУ (сканирование -обзор происходит по заданному оператором закону ЭВМ или ручным управлением);

о обработка изображения в реальном масштабе времени па ЭВМ ( псевдоцвет, оконтуривание, выделение движущихся объектов);

■ определение координат объектов (дальность, угол места и азимут) с отображением информации на экране дисплея и записью на видеомагнитофон и накопитель;

■ автоматическая установка оптической оси ГОЛС по заданным угловым координатам;

■ составление таблицы окружающей обстановки с указанием количества предметов, присвоения им имен и их пространственное расположение (координаты).

При дальнейшем совершенствовании конструкции и математического и программного обеспечения в макете СВН могут быть реализованы следующие режимы:

■ математическая обработка информации с целью распознавания образов;

■ автоматическое слежение за областью, обведенной на экране ВКУ световым пером;

и предложенное решение стабилизации оптической головки относительно горизонтальной плоскости маятникового типа может быть существенно модернизировано: во-первых, введением в конструкцию подвесной опоры гироскопических устройств; во-вторых, подвижную и неподвижную сферические опоры, скользящие друг относительно друга, изготовить по принципу линейного шагового двигателя, что позволит совместить функции стабилизации, управления вращением головки и измерения углового положения всей системы кругового обзора;

■ возможность вести наблюдение в различных диапазонах, в частности, и в инфракрасном. Решение этой проблемы связано с созданием волоконно-оптического жгута с регулярной укладкой в видимой и ИК области спектра с разрешением 40-50 лин/мм, светопропусканием не хуже 30% (существующие зеркальные и зеркально-линзовые объективы обеспечивают получешше изображения как в оптическом, так и в ИК диапазонах с наибольшей светосилой и требуемым разрешением), а также с созданием эффективной системы охлаждения приемников ИК излучения для максимального использования их чувствительности;

■ возможность создания комплексной оптико-электронной системы, обеспечивающей решение широкого круга задач: наблюдение в различных областях спектра, локация, решение навигационных и астронавигационных задач, осуществление оптической связи, комплексирование с каналами радиосвязи.

Макет СВН прошел лабораторные и натурные испытания, которые показали возможность выполнения специальных технических требований. Констатировано, что разработанное СВН специального применения не имеет аналогов, новизна и приоритетность проведенных научных исследований и технических решений защищена авторскими свидетельствами [15,16], изложена в монографиях [29,33] и работах [10-33].

опытных изделий

Литературная и патентная проработка выявила, что лучшие технико-экономические показатели данного вида промышленно выпускаемой техники имеют приборы японской фирмы Олимпус Оптикал и Харьковского завода точного приборостроения. В Таблице 5 приведены показатели лучших приборов и разработанного в лаборатории Самарского государственного университета прибора ЭЭС-1М.

Таблица 5

Показатели Фирма, прибор

Олимпус Харьковский Сам ГУ

оптикал завод ЭВГ- 10/15 ОЭС- 1М

Разрешающая способность, л/мм 10 5 5-10

Угол гголя зрения, град 120 •10 10

Угол обзора, град 240 ± 90 360

Предел визирования, мм 2- 100 15 - 100 30-300

Длина рабочей части, мм 1785 1300 3000

Возможность перепрофилирования - - +

Преимущества и новизна разрабатываемого прибора визуального осмотра руднодоступных мест для выявления наличия посторонних предметов, грубых адиров и зарезов, грязных и масляных пятен гга длине до 3 м цилиндрических юлостей изменяющегося диаметра в пределах от 60 до 300 мм специзделий бьгли юказаны и защищены авторским свидетельством [17]. Необходимо было разработать привязкой к конкретным условиям систему ввода оптической головки, ее [ентрирования и передвижения в контролируемой полости; систему ¡ерефокуснровки объектива и систему подсветки.

Оптоэлектронная система контроля внутренних поверхностей содержит птическую головку, нзображегагую на рис 11.2, гибкий передающий кабель, риемник изображения на основе МПЗС и видеоконтрольное устройство. Оптическая оловка содержит корпус 1, снабженный группами установочных опор 2, азмещенньгх в корпусе 1. Систему подсветки 3 и волоконно-оптический жгут 4, бъектив 5 с гибким приводом его фокусировки 6. Перед объективом 5 установлен аклонный к оптической оси отражатель 7, имеющий возможность вращения с омогцью гибкого привода 8. Система подсветки 3 выполнена в виде отдельного ветовода 9, выходной торец которого расположен перед объективом 5 соединен с ими через передаточный механизм 10. Оптическая ось световода на выходе эвпадает с оптической осыо объектива 5. Перед выходным торцом световода 9 на птической оси расположен конденсор 11 на расстоянии

^-^к-ЛН--^-. (ПЛ)

62-/Л Ш I

6р - угловая расходимость излучения световода. ,ода 9 в 5н-10 раз меньше диаметра объектива.

Рис. 11.2. Устройство оптической головки прибора ОЭС - 1М

Система работает следующим образом. Корпус 1 объективной части с помощью установочных опор 2 центрируется в исследуемой цилиндрической полости. Свет от внешнего источника (на рис. не показан) через световод 9 системы подсветки 3 с помощью конденсора 11 и отражателя 7 проецируется на наблюдаемый участок, изображение которого с помощью отражателя 7 и объектива 5 формируется на входном торце волокошю-оптического жгута 4 и далее (на рис. не показано) передается на его выходной торец.

При перемещении корпуса 1 объективной части в цилиндрическую полость другого диаметра с помощью гибкого привода б производится перефокусировка объектива 5 и через передаточный механизм 10 автоматическое смещение торца световода 9 относительно конденсора 11 в соответствии с соотношением (11.1) постоянно обеспечивая совпадешь поля освещения с наблюдаемым участком исследуемой поверхности. Малые диаметры (в 5+10 раз) световода 9 и конденсора 11 по сравнению с апертурой входного зрачка объектива 5 при их максимально возможном приближении к объективу 5, не ухудшают качества изображешш.

Так как оптическая ось световода 9 на выходе совпадает с оптической осью объектива 5, а конденсор 11 расположен на оптической оси на расстоянии I, величина которого определена соотношением (11.1), то размеры пятна освещения и наблюдаемого участка совпадают. Кроме того, совпадает направление освещения с направлением наблюдения. Для осмотра внутренней полости по окружности производится сканирование наклонным отражателем 7 с помощью гибкого привода 8. При этом происходит наблюдение и освещение соответствующие участков, куда направлен отражатель 7. Закручивание световода 9 и изменение направления освещения (отличного от направления наблюдения) не происходит, так как световод 9 не соединен с вращающимся наклонным отражателем 7, а его оптическая ось совпадает с оптической осью объектива 5, который также не соединен с отражателем.

Применение предлагаемого устройства позволяет улучшить качество изображения за счет повышешм контраста, что связано с уменьшением потерь введенного в световод излучения более чем в два раза, так как излучение вводится через торец световода, а не через оболочки элементарных волокон, и с наиболее максимальным использованием мощности излучения для освещения наблюдаемого участка исследуемой поверхности, что достигается совмещением размеров пятна подсветки и наблюдаемого участка, а также за счет направленности излучения подсветки вдоль оптической оси объектива. Кроме того, контраст изображения повышается за счет отсутствия рассеяния и отражений излучения подсветки в волоконно-оптическом жгуте для передачи изображения.

Описанный прибор ОЭС-1М за актуальность, новизну, теоретическую и практическую ценность на Всероссийской выставке Минвуза РСФСР, ВДНХ СССР награжден дипломом I степени и используется на Самарском агрегатно-производственном объединении в техническом процессе производства специзделий.

11.3. Оптоэлектронная система контроля электромагнитной совместимости элементов радиоэлектронной аппаратуры

При анализе работы специзделий в различных режимах одной из актуальных задач является проверка их поведения при СВЧ-облучении большими уровнями мощности, достигающими десятков мегаватт. При исследовании таких изделий в специальных испытательных стендах вывод информации с датчиков традиционными методами представляет известные трудности.

Предложена оптоэлектронная система наблюдения, которая успешно использовалась на Чапаевском заводе измерительных приборов при исследовании поведения специзделий в сильных электромагнитных полях [20,22].

При разработке системы был использован принцип передачи информации по ВОЛС в аналоговой форме. С этой целью из ранее исследованной элементной базы была собрана система передачи изображения, представленная на рис. 1 1.3 в виде блок-схемы. Принцип работы системы состоит в следующем. Посредством объектива 0 изображение объекта через ВОРЖ-1 проецировалось на ПЗС-матрнцу 2, которая с помощью блока формирователя импульсов переноса 3 преобразовывала оптическое изображение в электрический сигнал. Из последнего затем с помощью

видеоусилителя-смесителя 4 формировался видеосигнал, который после усиления видеоусилителем б подавался на полупроводниковый лазер 7 (помещенный в корпус соединителя) для модуляции его по току. Промодулированное видеосигналом лазерное излучение проходит волокно 8 и затем преобразуется фотодиодом 9 в электрический сигнал, который после усиления усилителем-распределителем 10 подается на видеоконтрольное устройство 11 для визуального наблюдения.

Рис. 11.3. Блок-схема системы передачи изображения по ВОЛС.

Исследования передачи аналогового сигнала по ВОЛС длиной до 700 м с использованием полупроводникового лазера ИЛПН-301-1, фотодиода РД-271 и стандартных оптических разъемов показали возможность получения на экране видеоконтролыюго устройства достаточно четкого изображения изучаемого объекта.

Коэффициент пропускания видео-тракта: объектив - ВОЛЖ не менее 0,8; разрешение всей системы при коэффициенте увеличения оптической системы -2 составили 14 лин/мм; общие потери в тракте оптические разъемы - ВОЛС длиной 700м составили 8,6 дБ, интегральный коэффициент пропускания всей системы составил 0,35.

Конструктивно блоки 2-7 выполнены в прочном металлическом заземленном корпусе, исключающем влияние СВЧ-поля на элементы оптоэлектрошюй системы.

Основные результаты и выводы

При выполнении работы получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Разработаны теоретические и физические принципы работы ряда оптических и оптоэлектронных приборов и устройств, которые позволили создать уникальную оптоэлектронную систему визуального наблюдения и далыюметрирования. СВН позволяет вести наблюдение за окружающей обстановкой вне корпуса основного базового аппарата расположенного на расстояниях до 1 км; имеет характеристики, параметры и функциональные возможности, отличные от существующих систем наблюдения (скорость обзора верхней полусферы по азимуту и углу места 0-ь90град/с; дальность действия до 10 км; точность определения ±5 м; точность определения угловых координат ±42'; разрешающая способность 15-^20 лин/мм; интегральный коэффициент пропускания 0,Зч-0,4; интегральная чувствительность 5-Ю-3 лк); вес оптической головки наблюдения ЮкГ.

2. Решена проблема стабилизации оптического устройства при колебаниях

выносного аппарата, на котором расположена оптическая головка системы визуального наблюдения, при углах колебаний ±5° и частотах колебаний до 10 Гц.

3. Предложены и реализованы новые способы управления накоплением и переносом зарядов в матрицах ПЗС, заключающиеся в том, что с целью расширения функциональных возможностей (за счет получения информации о координатах источника амплитудно-модулированных оптических сигналов) перед переносом зарядовых пакетов из секции накопления в секцию памяти уничтожается зарядовый пакет в секции накопления со специально подобранной частотой. Выбранный сигнал из зарядовых пакетов столбца и элемента строки содержит в себе информацшо о координатах источника амплитудно-модулированного сигнала.

4. Разработаны методики и сконструированы 9 экспериментальных стендов, исследования на которых позволили создать уникальную оптоэлектронную систему визуального наблюдения и дальнометрирования с улучшенными по сравнению с существующими системами визуального наблюдения характеристиками, повысить скрытность и боевую эффективность оборонной техники, выработать практические рекомендации для дальнейшего совершенствования конструкций СВН и расширения ее функциональных возможностей: математическая обработка информации с целью распознавания образов; автоматический пеленг объекта, выделенного па экране световым пером; наблюдение в ИК диапазоне; расширение динамического диапазона наблюдения в сторону увеличения угловых амплитуд колебаний оптической оси СВН до 10-15°; комплексирование функций наблюдения с навигацией и др.

5. Созданы и получили практическое применение па предприятиях отечественной промышленности оптоэлектронные приборы и устройства для контроля характеристик и параметров изделий в процессе их производства, отличающиеся от существующих тем, что позволяют вести наблюдение в труднодоступных местах изделия (изгибы, изменяющиеся диаметральные размеры изделия, неосвещаемые внутренние полости) даже при высоких уровнях СВЧ мощности (до десятка мегаватт) с высоким разрешением (до 20 лин/мм), большей чувствительностью (до 10"3 лк), меньшим ослаблением (до 30%-И0%) на расстояниях до 700 м.

6. Разработаны отличные от существующих метод анализа нестабильности оптического излучателя при влиянии на точность определения дальности лазерного дальномера, а также электродинамический метод расчета структуры поля при исследованиях влияния СВЧ-излучения на оптические и электронные узлы оптоэлектронных систем до уровней мощностей порядка единиц-десятков мегаватт, которые позволили сделать заключение о работоспособности разработанных оптоэлектронных приборов и устройств при уровнях СВЧ-радиации, достигающих указанных величин.

Список цитируемой литературы

1. Гвоздева Н.Г., Коркина П.И., Теория оптических систем и оптических измерений. - М.: Машиностроение, 1982.

2. Реутов А.П., Михайлов Б.А., Кондратенков Г.С., Бытко Б.В. Радиолокационные станции бокового обзора. - М.: 1980.

3. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. - М.: Наука, 1965.

4. Мирова Л.О., Чегшшенко А.З. Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры связи. - М.: Радио и связь, 1983.

5. Киллианн Дж. М. Радиационные эффекты в кремниевых приборах с зарядовой связью / В кн.: Приборы с зарядовой связью - М.: Мир, 1982.

6. Дианов Е.М. и др. // Квантовая электроника. - Т. 10. - № 3. - 1983.

7. Малашкин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. - М.: Высшая школа, 1983.

8. Быковцев Г.И., Лобанов A.B., Осипов М.Н. и др. Устройство для определения пространственного положения гибких протяженных объектов. Авт. свид-во 224825 с, 1984.

9. Геликонов В.М., Миронов Ю.М., Хагега Я.И. // Квантовая электроника. - 1988. -Т.15.-N10.-С.1999.

Список основных публикаций по теме диссертации

10. Никишов В.Н., Яровой Г.П. Расчет распределения СВЧ-поля в прямоугольном волноводе, содержащем полупроводниковый стержень // Радиотехника и электроника. - 1983. - Т.27. -№11. -С.2133.

11. Комов А.Н., Трещев В.М., Яровой Г.П. Распределение поля и радиоэлектрический эффект в слоистой полупроводниковой структуре в частично заполненном волноводе // Радиотехника и электроника. - 1985,- Т. 30. -№ 11.-С. 2114.

12. Яровой Г.П. Об одной задаче расчета неоднородности в СВЧ-тракте // В сб.: Вопросы передачи и измерения СВЧ колебаний и волн - Куйбышев: Изд-во КГУ, 1986.-С. 51.

13. Исследование путей создания оптоэлектронной системы наблюдения / НТО. Инв.325с.- 1986.

14. Яровой Г.П., Лебедянцева О.В. Исследование характеристик изогнутых световодов // В кн.: Материалы межвузовской научной конференции. -Куйбышев, 1986. - С. 112.

15. Осипов М.Н., Быковцев Г.И., Яровой Г.П. и др. Оптическое устройство кругового обзора. Авт. свид-во 261991 с, 1987.

16. Петухов В.Г., Вельтман Л.И., Яровой Г.П. Способ управления накоплением и переносом зарядов в матрице прибора с зарядовой связью. Авт. свид-во 315370 с, 1987.

17. Осипов М.Н., Ломаков Р.Н., Яровой Г.П. и др. Объективная часть эндоскопа. Авт. свид-во 1585774, 1987.

18. Разработка оптоэлектрошюй системы контроля внутренних поверхностей опытных изделий / НТО. № госрег. У35957. - 1987. - 18 с.

19. Яровой Г.П. Физические процессы в некоторых приборах и устройствах современной радиоэлектроники. - Куйбышев: Изд-во КГУ, 1988. - 68 с.

20. Разработка методов прогнозировашм и контроля электромагнитной обстановки / НТО. № госрег. У 38027, 1988,- 181 с.

21. Яровой Г.П., Петухов В.Г. Оптические малоракурсные томографы с системой сбора данных на ПЗС // В кн.: Материалы IV Всесоюзного симпозиума по