CC BY
167
12. BASF - The Chemical Company: Integration of Ciba [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://report.basf.com/2009/en/managementsanalysis/segments/performanceproducts/ciba.html, свободный. - Яз. англ. (дата обращения 05.05.2013).
13. Datacolor Elrepho [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://industrial.datacolor.com/products/, свободный. - Яз. англ. (дата обращения 05.05.2013).
Акмаров Константин Александрович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
Белов Николай Павлович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, старший научный сотрудник, [email protected]
Смирнов Юрий Юрьевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
Шерстобитова Александра Сергеевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]
Щербакова Екатерина Юрьевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, студент, student_ftt_2011 @mail.ru
Яськов Андрей Дмитриевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, [email protected]
УДК 681.786
ВЫБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
С ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУР ВОЗДУШНОГО ТРАКТА
В.Ф. Гусаров, А.Н. Тимофеев
Произведен выбор и расчет основных параметров оптико-электронной системы с оптической равносигнальной зоной для измерения вертикального градиента температур воздушного тракта, который является основным фактором, влияющим на угол рефракции. Рассматривается особенность выбора источников излучения для создания полихроматической равносигнальной зоны, заключающаяся в необходимости выбора одной длины волны излучения из синей области спектра, а другой - из инфракрасной. Подобран объектив задатчика базового направления, исходя из рассчитанного диаметра выходного зрачка передающей части и требования минимальной величины сферической аберрации. Проведен энергетический расчет, выбран диаметр зрачка, подобран объектив приемной части системы. Определен способ совмещения излучения и предложена оптическая схема задатчика базового направления с использованием четырех двухлинзовых конденсоров.
Ключевые слова: атмосферная рефракция, температурный градиент, оптическая равносигнальная зона.
Введение
Особенностью оптических измерений взаимного пространственного положения объектов и их элементов в таких отраслях, как горное дело, судостроение, аэрокосмическая промышленность, инженерное строительство, являются большие дистанции, при которых существенно влияние воздушного тракта на погрешность измерений. Говоря об актуальности проблемы, можно отметить, что одной из основных составляющих погрешности при определении углов и перемещений в условиях свободной атмосферы является вертикальная атмосферная рефракция, обычно вызванная наличием вертикального градиента температуры [1].
Известно несколько методов учета рефракции атмосферы при проведении измерений. Первый метод, основанный на измерении температурного градиента с использованием высокоточных температурных датчиков, может давать достаточно точные результаты, однако предъявляет высокие требования к оборудованию и его настройке [2]. Второй метод заключается в особой специфике проведения измерений. Применяются взаимно параллельные наблюдения или симметричная компоновка области наблюдения с целью уменьшения эффекта рефракции. Недостатком является то, что реальные условия не всегда согласованы с предположениями. Третий метод - двухволновый, в основу которого положена зависимость показателя преломления воздуха от длины волны зондирующего сигнала, а его техническая реализация сводится к измерению разности оптических путей зондирующих сигналов с различными длинами волн [3, 4]. Четвертый метод - моделирование турбулентного перемещения с использованием восходящих тепловых потоков для вычисления температурного градиента. Требуемые параметры получают из измерения эффектов сцинтилляции, таких как флуктуации амплитуды или фазы поступающей волны [2, 5].
Высокая позиционная чувствительность в оптической равносигнальной зоне [5] дает надежду на успешную приборную реализацию дисперсионного метода, поэтому была поставлена цель - разработка оптико-электронной системы (ОЭС) с полихроматической оптической равносигнальной зоной (ПОРЗ) для измерения вертикального градиента температур воздушного тракта на основе двухволнового дисперсионного метода [3].
Одним из этапов разработки является выбор элементов системы. Диапазон контроля градиента температур воздушного тракта с помощью разрабатываемой ОЭС - от 0,01 °С/м до 1 °С/м на дистанциях 10-100 м. Условия эксплуатации системы: засветка - рассеянное солнечное излучение с энергетической яркостью фона 0,04 Вт/(см2ср); изменение температуры - от -10°С до +40°С.
Выбор источников и приемника излучения
Для создания ПОРЗ в качестве источников излучения (ИИ) в разрабатываемой ОЭС предложено использовать полупроводниковые излучающие диоды (ПИД) с разными длинами волн, которые необходимо выбирать так, чтобы разность величин сигналов, обусловленных деформацией ПОРЗ из-за рефракции воздушного тракта, была максимальна.
На рис. 1 приведен график зависимости индекса показателя преломления N = п-1 от длины волны оптического излучения, рассчитанный по формуле (1) [6]
N ■ 10 7 = (пгр -1) • 10 7 = 2876,04+3 • 16,288/X2 + 5 • 0,136/X4 , (1)
где N - индекс показателя преломления воздуха, или преломляемость; пгр - групповой показатель преломления среды.
Как следует из рис. 1, индекс показателя преломления в видимом диапазоне длин волн изменяется значительно сильнее, чем в инфракрасной (ИК) области. По этой причине при применении двухволново-го метода целесообразно выбирать один источник так, чтобы он излучал в короткой синей области спектра, а другой - в ИК области. В то же время необходимо согласовать длину волны ПИД с фотоприемником (ФП). В данном устройстве предлагается использовать в качестве фотоприемника кремниевый фотодиод. Преимуществами таких фотодиодов перед другими приемниками излучения являются простота конструкции, малые темновые токи и низкое напряжение питания.
Как было указано выше, рационально использовать такие длины волн источников, которые обеспечивают максимально возможную разность сигналов, полученных при измерениях на этих волнах. Сигнал, снимаемый с ФП на определенной длине волны, зависит от величины £(п-1), где £ - спектральная чувствительность фотоприемника; (п-1) - индекс показателя преломления на данной длине волны X. Получение максимального разностного сигнала возможно при использовании кремниевого фотодиода и источников излучения с длинами волн, близкими к 0,4 и 0,85 мкм. Такие результаты являются обоснованными с той точки зрения, что X = 0,85 мкм является точкой максимальной чувствительности фотодиода ФД-24К, в то время как параметры оптической схемы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы при X = 0,4 мкм обеспечивалось условие требуемой пороговой чувствительности.
3,6-10-4
3,4-10~4
gS 3,2-10~4
3-10-4
2,8-10~4
0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 X, мкм
Рис. 1. График зависимости индекса показателя преломления воздуха от длины волны оптического
излучения
Ввиду вышеуказанных преимуществ кремниевого фотодиода его предложено использовать в качестве приемника в разрабатываемом градиентомере. Источниками излучения выбраны два инфракрасных ПИД TSAL6100 фирмы «Vishay», максимум излучения которых приходится на длину волны 0,94 мкм, и два синих ПИД EP2032-150B1 фирмы «ParaLight Electronics» с длиной волны 0,47 мкм.
Выбор схемы обработки сигналов
В разрабатываемой системе используется амплитудно-частотная модуляция сигналов излучателей. На рис. 2 представлена схема выделения и обработки сигналов.
ПОИ
У
Ф1
Ф2
Ф3
Ф4
СВСР
ВУ —I—
СВСР
АЦП
БО
Рис. 2. Схема обработки электрических сигналов: ПОИ - приемник оптического излучения; У - усилитель;
Ф1-Ф4 - фильтры; СВСР - схемы выделения сигнала рассогласования; ВУ - вычитающее устройство;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь; БО - блок обработки
Выбор объектива задатчика базового направления
Важнейшим параметром объектива задатчика базового направления (ЗБН) является его диаметр, так как облученность в пространстве изображений пропорциональна площади выходного зрачка -0ЗБН [7, 8]. Максимальная величина диаметра объектива ограничивается не только габаритами, но и чисто оптическими параметрами.
Запишем приближение закона синусов для ИИ и его изображения в следующем виде [7]:
¡И sin ак = AtgPLx, (2)
где ¡И - размер ИИ; ск - передний апертурный угол конденсора; р^ - угол расходимости пучков ЗБН.
Из выражения (2) получаем
D = ¡и sin а J tgpm„. (3)
Таким образом, диаметр объектива ограничивается размером ИИ, апертурным углом конденсора и углом расходимости пучков. Передний апертурный угол конденсора определяется углом половинной яркости ИИ, для выбранных ПИД ск=10°. Угол расходимости пучков ЗБН примем равным 1°, исходя из условий эксплуатации ОЭС. Такая величина обеспечит наводку ЗБН и засвечивание приемной части (ПЧ) ввиду необходимости регистрации некоторой части фона. Размер ИИ согласно техническим данным выбранных ПИД равен 5 мм. С учетом этих данных, по формуле (3) получаем диаметр выходного зрачка объектива задатчика базового направления D1 ~ 42 мм.
бъектив
Плоскости установки ИИ
ризма светоделительная
Рис. 3. Оптическая схема задатчика базового направления
Для проецирования ПОРЗ в плоскость ФП нужен объектив с малой величиной сферической аберрации, поскольку именно эта аберрация оказывает наибольшее влияние на искажение переходной характеристики ПОРЗ. В качестве такого объектива используется объектив прожектора системы «ПУЛ-Н».
Стоит отметить, что при работе на разных длинах волн проявляется хроматизм положения объектива, изменяются его параксиальные характеристики. Следовательно, объектив, сфокусированный на
некоторое расстояние z\ для длины волны для X2 будет сфокусирован на расстояние z2, отличное от zb В связи с этим в конструкции необходимо предусмотреть возможность перефокусировки объектива для обеспечения равной энергетической чувствительности и устранения хроматизма положения, как описано в [9].
С учетом габаритных размеров оптической схемы и возможности согласования потоков излучения ПИД выбрана схема, в которой используются четыре двухлинзовых конденсора, что обеспечивает малые габариты всей системы и независимую регулировку излучения для каждого из четырех каналов. Для совмещения оптического излучения используем две призмы-куб, направляющие его на грани разделительной треугольной призмы. Тогда, с учетом выбранного объектива, оптическая схема задатчика базового направления разрабатываемой ОЭС будет иметь вид, показанный на рис. 3.
Расчет конденсоров
Рассчитаем передний апертурный угол объектива ЗБН, учитывая, что предмет находится в его фокальной плоскости. Тогда
Р = arctg (Ц^/ (2f')), (4)
где р - передний апертурный угол объектива; Цвх.зр - диаметр входного зрачка объектива.
Полагая значение величины фокусного расстояния объектива одинаковой для данных длин волн, рассчитаем значение переднего апертурного угла объектива через выражение (4):
Ро,95 = Po,43 = -arctg(17,27 / 69,64) = -13,9°.
Поскольку синий (EP2032-150B1) и инфракрасный (TSAL6100) диоды имеют величину угла половинной яркости а = 10°, линейное увеличение конденсора для ИК и синего ПИД составит
VíK = VCHH = sinаИК /sinр = sin10°/sin(-13,9°) = -0,72 .
При найденных значениях апертур и линейных увеличений целесообразно применять двухлинзо-вые конденсоры. Исходя из полученных параметров, был рассчитан конденсор, конструктивные параметры которого представлены в таблице.
Радиус, мм Осевое расстояние, мм Материал Показатель преломления Световые диаметры, мм
X = 0,94 мкм X = 0,47 мкм
-11,51
2,5 ТФ10 1,778429 1,851193 7,5
-5,2
0,17 воздух 1,0 1,0 7,9
10,94
3,0 ТФ10 1,778429 1,851193 8,1
-23,12
Таблица. Конструктивные параметры конденсора
Расчет входного зрачка приемной части системы
Энергетический расчет осуществляется в программе Са1еОБ8, разработанной на кафедре ОЭПиС НИУ ИТМО. Результатами работы программы являются числовое значение диаметра входного зрачка ПЧ при рассчитанном ранее диаметре выходного зрачка ЗБН, а также вычислительная погрешность и обеспечиваемая позиционная чувствительность системы. Входными данными для программы служат параметры ЗБН, среды распространения и ПЧ.
Таким образом, в результате работы программы (рис. 4) были получены значения диаметров выходного зрачка ЗБН _0ЗБН = 42 мм и входного зрачка ПЧ _0ПЧ = 77 мм для заданных параметров.
При указанных величинах входного и выходного зрачков обеспечивается позиционная чувствительность системы в 0,01 мм, т.е. минимальная регистрируемая разность деформаций луча по оси ОУ 8у12, обусловленная вертикальной рефракцией при работе на длинах волн ^ и Х2.
Для ПЧ проектируемой ОЭС будет использоваться объектив ПЧ системы «ПУЛ-Н», пересчитанный на полученный в результате энергетического расчета диаметр входного зрачка _0ПЧ = 77 мм. Стоит отметить, что для объектива ПЧ допустимы аберрации, большие, чем у объектива ЗБН.
Заключение
Проведенные расчеты параметров системы позволили выбрать источники излучения для создания полихроматической равносигнальной зоны с длинами волн 0,94 мкм и 0,47 мкм. Был произведен выбор и пересчет объектива задатчика базового направления и проведен энергетический расчет, результатом которого является значение входного зрачка приемной части _0ПЧ = 77 мм. По этим данным был подобран объектив приемной части.
Для совмещения излучения предложено применять призмы-куб и четыре двухлинзовых конденсора. На основе полученных данных разрабатывается оптическая схема всей системы измерения вертикального градиента температур воздушного тракта.
Работа проведена в рамках ФЦП программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
0.01
gggggggragggKMH gаскет ди/тетразрачка o5b6K.wh.sa ПЧ
Требуемая чувствительность системы (мм| Количество сильнодействующим сшибок JT" Точность вычисления диаметра зрачка (мм)
"Стандартный алгоритм-
Рассчитать..
01
Диаметр выходного зрачка ЗБН: 42.G0Ü Диаметр входного зрачка ПЧ: 76.EG2 Вычислительная погрешность 0.03S Проверка...
Обеспечиваемая чувствительность (мм): 0.0"! G
Рис. 4. Результаты энергетического расчета
Литература
1. Неумывакин Ю.К. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. - М.: Недра, 1984. - 128 с.
2. Flach Ph. Analysis of refraction influences in geodesy using image processing and turbulence models. Dissertation No.:13844. - Institut für Geodäsie und Photogrammetrie. - 2000. - 188 p.
3. Прилепин М.Т. Определение показателя преломления воздуха при измерении расстояний светомоду-ляционными дальномерами // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1957. - № 2. - C. 123132.
4. Böckem B. Development of a Dispersometer for the Implementation into Geodetic High- Accuracy Direction Measurement Systems. Dissertation No.:14252, ETH in print. - University of Bonn - 2001. - 140 p.
5. Гусаров В.Ф. Методы коррекции влияния рефракции атмосферы на геодезические измерения. Преимущества многоспектральных методов // Актуальные теоретические и практические вопросы современного оптико-электронного приборостроения. Сборник трудов молодых ученых / Под ред. проф. В.В. Коротаева. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - C. 120-121.
6. Бин Б.Р., Даттон Е.Дж. Радиометеорология: Пер. с англ. Т.И. Арсеньян / Под ред. А.А. Семенова. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1971. - 362 с.
7. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Фотографические, проекционные и фотоэлектрические системы, методы аберрационного расчета оптических систем. - М.: Машиностроение, 1966. - 432 с.
8. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. - СПб: ИТМО, 1998. - 238 с.
9. Мараев А.А., Коняхин И.А., Тимофеев А.Н. Исследование энергетической чувствительности в оптико-электронных системах с полихроматической оптической равносигнальной зоной // Изв. вузов. Приборостроение. - 2012. - Т. 55. - № 3. - С. 31-35.
Гусаров Вадим Федорович
Тимофеев Александр Николаевич
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, студент; ОАО «ЛОМО», инженер-конструктор; [email protected] Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, зав. лабораторией, [email protected]
