Методы расчета теплового режима оптико-электронных приборов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение.

1. Анализ температурных полей оптико-электронных приборов . II

1.1. Структура и классификация ОЭП.II

1.2. Системы обеспечения теплового режима ОЭП

1.3. Иерархический принцип компоновки ОЭП

1.4. Поэтапное моделирование оптико-электронных приборов.

1.5. Тепловые и математические модели ОЭП

Выводы.

2. Анализ теплового режима в системах тел

2.1. Постановка задачи

2.2. Одномерные области без источников тепловыделения

2.3. Одномерные области с распределенными источниками теплоты.i'

2.4. Анализ теплового режима в двух- и трехмерных областях 54 Выводы.

3. Анализ влияния теплового режима на работу оптико-электронных приборов .^

3.1. Влияние теплового режима на передаточные функции ОЭП и полезный сигнал.

3.2. Влияние теплового режима на шумы и собственное излучение в ОЭП.

3.3. Влияние теплового режима на решение задач обнаружения, слежения, измерения и на качество изображения

3.4. Последовательность анализа влияния теплового режима . 97 Выводы.

4. Анализ погрешности

ТГ' т

4.1. Постановка задачи

4.2. Поэтапный анализ погрешности

4.3. Статистический анализ погрешности

4.4. Оценка погрешности методики расчета . III

4.5. Определение допустимых погрешностей

Выводы.

5. Тепловой режим телекамеры "Бега"

5*1. Описание конструкции и режимов работы

5.2. Поэтапное моделирование теплового режима телекамеры "Бега".

5.3. Расчет исходной информации

5.4. Реализация математических моделей

5.5. Анализ погрешности

Выводы.

6. Тепловой режим ОЭП с криогенным охлаждением

6.1. Описание конструкции и режимов работы

6.2. Поэтапное моделирование прибора

6.3. Расчет исходной информации

6.4. Анализ теплового режима при импульсных тепловых воздействиях

6.5. Реализация математических моделей . I??

6.6. Анализ погрешности результатов расчетов.

Выводы.

Оптико-электронными называют приборы, с помощью которых сведения о размере, форме, положении и энергетическом состоянии объекта наблюдения, содержащиеся в потоке излучения, извлекаются путем специальной обработки и преобразования в электрический сигнал, который также затем обрабатывается с целью выделения из шумов и последующей регистрации [1~\ .

Оптико-электронные приборы (ОЭП) нашли широкое применение в науке и технике. Их применяют для измерения различных физических и геометрических параметров, для определения положения объектов в пространстве, для управления различными технологическими процессами и т.д.

Освоение космоса открывает новые области использования оптико-электронных приборов. К ним можно отнести: прогнозирование погоды на Земле, связь в космосе, обследование ресурсов Земли, исследование других планет и их естественных спутников, ориентацию космических кораблей, проведение коррекции орбиты и осуществление посадки космического аппарата и т.д. При этом ОЭП часто вынуждены работать в неблагоприятных условиях (низкая или высокая температура окружающей среды, вакуум, излучение Солнца или планет и т.д.).

Вместе с тем, как будет показано ниже, тепловой режим оказывает существенное влияние как на работу отдельных узлов, так и на весь прибор в целом. Нарушение теплового режима приводит к искажению полезного сигнала, к появлению шумов в приборе, что в свою очередь влияет на качество работы прибора. Вместе с тем для большинства ОЭП характерны высокие требования к точности и надежности работы. Поэтому обеспечение нормального режима является одной из главных задач при проектировании ОЭП.

Под нормальным тепловым режимом будем понимать такой режим работы ОЭП, при котором температура и градиенты температуры элементов прибора находятся в допустимых, пределах и не приводят к снижению качества работы ОЭП.

Обеспечение нормального теплового режима основывается на расчете температурных полей ОЭП с различной степенью детализации и последующем анализе влияния теплового режима на качество работы прибора.

В настоящее время имеется ряд работ, в которых рассматриваются вопросы теплового режима оптических и оптико-электронных приборов и их элементов. Среди них можно отметить работы, выполненные на кафедре теплофизики ЛИТМО [2+9, 39] . В научно-техническом отчете [39 ] рассмотрены внешние тепловые воздействия на оптическую систему. Работы [2*6] посвящены анализу температурных полей отдельных оптических элементов: линз, зеркал, иллюминатора. В [ 7 ] предложена методика приближенного расчета температурного поля линзового объектива с термостатированным корпусом при гармонических внешних воздействиях. В [8, д] рассматривается конструкция линзового объектива, предлагается анализ теплового режима объектива проводить в два этапа. На первом этапе с использованием метода эффективного тела определяются среднеповерхностные температуры элементов, на втором - распределение температуры в отдельных областях. Численные расчеты оптических систем выполнялись также Завьяловым Е.В. и Шрамко Ю.П.

Анализ температурных полей оптических и оптико-электронных приборов и их элементов проводился в работах [10+21J . В [ю]даш. методика анализа температурных полей отдельных оптических элементов: линз и пластин. Вопросы расчета температур приемников излучения рассматриваются в работах [11*14] . В [15- 1б] приводятся методики расчета теплового режима газоразрядных ламп и ламп накаливания, которые применяются в качестве источников излучения. Тепловому режиму лазеров, также используемых в качестве источников, посвящено значительное количество работ, например, [l7+I9 J. В [ео]рассматривается тепловой режим прибора, работающего в открытом космосе, определяется его средняя температура. В [^21J излагается методика и приводятся результаты численного расчета ОЭП с криогенным охлаждением.

Вопросам анализа влияния теплового режима на работу отдельных элементов ОЭП посвящены работы [4, 10*12, 22+37] . В [22+24 рассматриваются термооптические аберрации, как положения изображения, так и увеличения, при условии, что температуры всех оптических элементов одинаковы. В [25*29 J затрагивается вопрос о влиянии температуры на аберрации оптической системы при наличии градиентов. В[4] исследуется деформация фронта волны под воздействием теплового режима. Работы [30+36 ] посвящены анализу термодеформаций и напряжений в оптических элементах и деталях ОЭП. Причем в [32*36 ] исследуются термодеформации крупногабаритных зеркал, для которых эти вопросы наиболее актуальны. В \ZQ] анализируется влияние теплового режима на термоаберрации и на основе этого анализа предлагается методика проектирования термически стабильных линзовых объективов.

В [ю, 37, 38 рассматривается распределение освещенности в плоскости изображения от собственного излучения оптических элементов и определяется погрешность измерения температуры, обусловленная этим излучением. Вопросы влияния теплового режима на чувствительность и шумы приемников рассматриваются в работах [i, II, 13, 40+45 ].

Проведенный обзор литературы, посвященной расчету температурных полей показал, что наиболее разработаны вопросы, связанные с-анализом теплового режима отдельных элементов ОЭП. В немногочисленных работах рассматривается весь прибор в целом, однако, авторы при этом ограничиваются определением средней температуры такого прибора, либо предлагаемая ими методика носит частный характер и предназначена для конкретного ОЭП. И в тех и в других случаях предложенные подходы не свободны от недостатков. Методики, предназначенные для расчета температурных полей одиночных элементов ОЭП, не позволяют рассмотреть прибор в целом, учесть все основные воздействующие на него факторы, взаимное влияние узлов и блоков ОЭП друг на друга. Определение же средней температуры прибора является недостаточным для последующего анализа влияния теплового режима на качество его работы.

Не оправдывает себя и разработка методик и математического обеспечения для отдельных ОЭП и узкого класса этих приборов. Это связано с большим многообразием современных оптико-электронных приборов (что вызвано широкой областью их использования), различными условиями их работы, а также сокращением времени, отводимого на проектирование аппаратуры.

Все это делает актуальной разработку методики, предназначенной для широкого класса конструкций ОЭП, позволяющей рассмотреть прибор в целом, учесть все основные воздействующие на него факторы, и провести расчет температурных полей с требуемой точностью и степенью детализации.

Обзор литературы, посвященной анализу влияния теплового режима на работу оптико-электронных приборов, показал, что здесь также авторы ограничиваются рассмотрением влияния теплового режима на параметры отдельных элементов ОЭП (шумы приемника и электронного тракта, чувствительность приемника, термоаберрации оптических системы). И если расчет термоаберраций позволяет в той или иной степени оценить влияние теплового режима на качество работы оптической системы, то для оптико-электронного прибора, в состав которого входят разнородные в физическом и функциональном отношении элементы, провести такую оценку на основе имеющихся в настоящее время работ не представляется возможным.

Вместе с тем, разработчиков оптико-электронной аппаратуры в конечном счете интересует изменение в тех или иных условиях эксплуатации параметров, характеризующих работу ОЭП, качество решения конкретной задачи (в соответствии с назначением прибора).

Все указанные выше факторы и определяют актуальность настоящего исследования, целью которого является разработка методики, позволяющей провести расчет температурных полей оптико-электронного прибора с учетом всех основных воздействующих на него факторов, с требуемой точностью и степенью детализации и проанализировать влияние теплового режима на работу прибора в соответствии с его назначением.

Решение поставленной задачи для таких сложных объектов, какими являются оптико-электронные приборы, не представляется возможным без использования системного анализа, который в настоящее время "эффективно применяется практически во всех научных исследованиях и решениях технических задач"[ 127J . Целесообразно также использование метода поэтапного моделирования, позволяющего проводить анализ теплового режима сложных объектов с помощью простых моделей, допускающих простую и универсальную реализацию [^80, I33J с применением на тех или иных этапах расчета методов анализа, разработанных для отдельных элементов ОЭП.

В первой главе приводятся краткие сведения об оптико-электронных приборах: их назначении, классификации, составе и способах обеспечения теплового режима. Основное внимание уделяется расчету температурных полей ОЭП. Предлагается методика поэтапного моделирования, сформулированы тепловые и математические модели отдельных этапов.

Во второй главе излагается метод расчета стационарного теплового режима в системе с неравномернонагретыми областями.

В третьей главе рассматривается анализ влияния теплового режима на работу оптико-электронных приборов различного назначения.

Четвертая глава посвящена анализу погрешности поэтапного расчета температурных полей. Рассматриваются вопросы, связанные с определением допустимых погрешностей.

Пятая глава посвящена анализу теплового режима телевизионной системы "Бега", предназначенной для космических исследований. Сформулированы тепловая и математическая модели, методика расчета исходной информации. Приведены результаты анализа и.экспериментального исследования температурных полей телекамеры.

В шестой главе методика поэтапного моделирования применяется для анализа теплового режима оптико-электронного прибора с криогенным охлаждением. Рассматривается расчет средних температур областей при импульсных тепловых воздействиях. Исследуется погрешность анализа температурных полей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Сформулированы и обоснованы тепловые и математические модели ОЭП.

2. Разработан метод расчета средних температур отдельных поверхностей неравномернонагретых тел в стационарном режиме и средних температур областей при импульсных тепловых воздействиях.

3. Предложена последовательность анализа влияния теплового режима на работу ОЭП.

4. Разработана методика оценки погрешности расчета при поэтапном моделировании оптико-электронных приборов.

На защиту выносятся: - тепловые и математические модели ОЭП;

- последовательность анализа влияния теплового режима на работу ОЭП;

- методика анализа лучистого теплообмена в оптических системах;

- методика анализа погрешности при поэтапном моделировании;

- метод расчета стационарного теплового режима в системе нерав-номернонагретых областей;

- способ расчета средних температур областей при импульсных тепловых воздействиях;

- результаты расчета теплового режима телекамеры "Бега";

- результаты расчета теплового режима охлаждаемого ОЭП.

Практическая ценность. Использование моделей, методик расчета температурных полей и анализа влияния теплового режима на работу ОЭП, а также программного обеспечения позволило обосновано подходить к выбору конструктивных, физических и режимных параметров оптико-электронных приборов.

Результаты работы внедрены в ГОЙ им. С.И.Вавилова, Ленинград, ЛОМО им. В.И.Ленина, Ленинград, ИКИ АН СССР, Москва, НПО "Азимут", Ленинград, Национальном комитете по Исследованию и Использованию Космического пространства, София, НРБ.

ВЫВОДЫ

Рассмотрена конструкция и условия работы ОЭП с криогенным охлаждением. Сформулированы тепловые и математические модели.

Предложен способ анализа нестационарного теплового режима системы тел с импульсными источниками теплоты.

Проведены расчеты температурных полей прибора, разработаны рекомендации по обеспечению нормального режима.

Результаты расчета сопоставлены с данными эксперимента. Исследована погрешность методики. х) Следует заметить, что формула (4.26) получена,исходя из при» ципа оценивания погрешности сверху. Реальное значение погрешности может быть существенно меньше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование теплового режима оптико-электронных приборов. Основные результаты заключаются в следующем:

1. Предложена методика расчета температурных полей оптико-электронных приборов. Сформулированы и обоснованы тепловые и математические модели, рассмотрены способы их реализации.

2. Разработана последовательность анализа влияния теплового режима на работу ОЭП.

3. Разработан метод расчета средних температур отдельных поверхностей для стационарного режима системы неравномернонагретых тел.

4. Предложена методика анализа погрешности расчета и определения допустимых погрешностей.

5. Предложен способ осреднения переменных во времени тепловых воздействий при расчете средних температур тел.

6. Разработаны программы расчета разрешающих угловых коэффициентов и анализа стационарных и нестационарных температурных полей в сложных системах.

7. Выполнен анализ теплового режима телекамеры "Вега". Сформулированы тепловые и математические модели. Рассмотрен расчет исходной информации. Проведен анализ погрешности, разработаны рекомендации по обеспечению теплового режима телекамеры.

8. Выполнен анализ теплового режима оптико-электронного прибора с криогенным охлаждением. Разработана инженерная методика расчета. Проведено сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов.

1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1977, - 600 с,

2. Отчет по НИР №71762. Приближенный анализ температурных полей в типовых элементах оптической системы при энергетических воздействиях. Л. ЛИТМО, 1971.

3. Акаев А. Новый приближенный аналитический метод для решения многомерных краевых задач теплопроводности и его приложение в инженерной практике. Автореферат диссертации на соискание степени канд. техн. наук. Л. ЛИТМО, 1972, 18 с.

4. Шрамко Ю.П. Влияние теплового режима иллюминатора на деформацию фронта волны ОМП, 1972, №3, с. 14-17.

5. Ярышев Н.А., Столяров А.С. Тепловой режим элемента оптической системы, Известия вузов, Приборостроение, 1973, т. 16, №11, с. 114 - 118.

6. Тихонов С.В. Стационарное температурное поле элементов оптических систем. ИФ1, 1975, т. 24, № 5, с. 884-891.

7. Платунов Е.С., Шумилова И.А. Приближенный метод расчета температурного поля оптической системы с термостатированным корпусом. Л.: Труды ЛИТМО, 1972, вып. 70 с. 89 - 104.

8. Потягайло А.Ю. Методы анализа теплового режима системы тел и их приложение в приборостроении. Автореферат диссертации на соискание степени канд. техн. наук. Л.: ЛИТМО, 1976, с.18.

9. Дульнев Г.Н., Потягайло А.Ю. Приближенный анализ температурных полей в системах тел с источниками энергии. Минск: Тепломассообмен - У, 1976, т. 9, с. 191 - 201.

10. Голубь Б.И., Пахомов И.И., Хорохоров A.M. Собственное излучение элементов оптических систем оптико-электронных приборов М.: Машиностроение, 1978, 144 с.

11. Кременчугский JI.С. Сегнетоэлектрические приемники излучения. Киев: Наукова Думка, 1971,- 234 С.

12. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981, 180 с.

13. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радийкин B.C. Источники и приемники излучения. М.: Машиностроение, 1982, 222 с.

14. Бондарев А.С., Иванов С.А. Тепловой режим мишени, охлаждаемой лучеиспусканием. Электронная техника сер. 4, Электровакуумные и газоразрядные приборы. МЭП СССР, 1981, вып. I,- 43с.

15. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М. - Л.: Энергия, 1966,- 560 с.

16. Кайданов А.И., Шалабутов Ю.К. Исследование теплофизическихи технологических факторов в производстве радиоламп. Электронная техника: Технология и организация производства, 1967, сер. 10, № 2, с. 162 - 174.

17. Белостоцкий Б.Р., Рубанов А.С. Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов. М.; Энергия, 1973,-168с.

18. Шарков А.В., Савинцева Л.А., Кораблев В.А. Расчет теплового режима осветителей с жидкостным охлаждением его элементов.- Известия вузов, Приборостроение, 1982, т.25, №10, с.75-79.

19. Городецкий А,К., Малкевич М.С., Фарапонтова Г.П. Температурный режим научной аппаратуры и методика его расчета. Сб.: Космическая стрела. М.: Наука, 1974, с. 297 - 307.

20. R. ЦоЦ , S\ WMw ■ Thermal Desicpi of ^kutikйпhotted ЪЛякоре facMy. fs'ieTF). АТАА 15 iln . Thezmoph^s'LCA Сои^&с&псе +1920 , Showman , Со1о>шо1о .

21. Волосов Д.С. Основы термооптических аберраций. Оптика и спектроскопия. 1958, т. 1У, вып. 5, с. 663 - 669, вып. 6, с. 772 - 778.

22. Р-ъгъу 1 W. Рюе. РЬиЧ. Soe. Louolotsi } р. 5У.

23. Прикладная оптика. Под редакцией А.С. Дубовика. М.: Недра, 1982, - 612 с.

24. FThesL$t University, ДЬМуаисЬз 4969.

25. F. Miii. Asbton . 1971, v.30> P.g6T.

26. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. М.: Машиностроение, 1969, 672 с.

27. Кохлер X., Стрель Ф. Проектирование термически стабильных линзовых систем. В кн. Космическая оптика. М.: Машиностроение, 1980, с. 80 + 100.

28. Уэзерелл У. Оценка качества изображения. В кн. Проектирование оптических систем. М.: Мир, 1983, с. 178 - 332.

29. Буин А.П. Влияние изменения температуры на деформацию скле-еных оптических деталей. ОМП, 1963, № II, с. 23 - 27.

30. Пищик Г.Ф. Напряжения и деформация в деталях оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1968, - 247 с.

31. Мазер К.В. Исследование деформаций больших зеркал космического назначения. В кн. Космическая оптика, М., Машиностроение, 1980, с. 124 - 135.

32. Вагпез W. Р. App0. Opt., I (43U).

33. MoitvicK А. й. Appi.Dp-t9, 2W f 4 970).

34. OywolnlK R. F. Арр^. Opt., 9, 2028(4970).

35. Spitzet L, Ji., Вotey В. А . J. opt. Soc. Am.904 (4367).

36. Пахомов И.И., Хорохоров A.M. Определение лучистого потока в плоскости анализа изображения от собственного излучения линз. "Оптико-электронные приборы": Сб. трудов МВТУ, -М.: 1974,174, с. 105 НО.

37. Вольф У. Радиометрия. В кн. Проектирование оптических систем.- М. Мир, 1983, с. 129 177.

38. Отчет по НИР № 71762. Приближенный анализ температурных полей в типовых элементах оптической системы при энергетических воздействиях. J1. ЛИТМО, 1971.

39. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М.: Наука, 1968, - 167 с.

40. Антонов Е.Й., Ильин В.Е., Коленко Е.А., Петровский Ю.В., Смирнов А.И. Устройства для охлаждения приемников излучения.- Л.: Машиностроение, 1969, 247 с.

41. Ван дер ЗИЛ. Шумы при измерениях. М.: Мир, 1979, - 292 с.

42. Ван дер Зил. Шум. Источники, описание, измерение. М.: Сов. радио, 1973, - 228 с.

43. Свинделл У. Электрические схемы детекторов видимого излучения. В кн. Проектирование оптических систем. М.: Мир, 1983, с. 333 - 362.

44. Холл Дж. Матрицы и приборы с зарядовой связью. В кн. Проектирование оптических систем. М.: Мир, 1983, с. 363 - 420.

45. Физическая оптика. Терминология. М.: Наука, 1970, - 50 с.

46. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем.- Л.: Машиностроение, 1980, 272 с.

47. Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982, - 143 с.

48. Залетаев В.М., Капинос Ю.В., Сургучев О.В. Расчет теплообмена космического аппарата. М.: Машиностроение, 1979, -208 с.

49. Бушуев К.Д. Подготовка и осуществление программы ЭПАС. М.: Знание, Сер. Космонавтика, астрономия, 1976, № 10, - 72 с,

50. Перов В.Д., Стахов Ю.И. Космические аппараты исследуют Луну.- М.: Знание. Сер. Космонавтика, астрономия. 1979, № I, -74с.

51. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л.: Наука, 1967, - 283 с.

52. Дилевская Е.В. Криогенные микротеплообменники. М.: Машиностроение, 1978, - 166 с.

53. OzLjsOfye>ni,c cooling (/tiitvt о/е vices AJAA .potp . N* j .

54. Сафронов Ю.П., Андрианов Ю.Г. Инфракрасная техника и космос,- М.: Советское радио, 1978, 248 с.

55. Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе.- М.: Высшая школа, 1972, 280 с.

56. Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов. Под ред. Лукаса Д. М.: Мир, 1974, - 543 с.

57. Лазарев Л.П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения и наведения. М.: Машиностроение, 1977, - 568 с.

58. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970, - 364 с.

59. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1964, - 772 с.

60. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968, - 720 с.

61. Бессекерский В.А., Попов Е.А. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975, - 767 с.

62. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1972, - 672 с.

63. Кризе С.Н. Усилительные устройства. М.: Связь, 1962, - 335с.

64. Криксунов Л.З., Усольцев И.Ф. Инфракрасные системы обнаружения, пеленгации и сопровождения движущихся объектов. М.: Сов.66