CC BY
129
ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.7.08,681.78
И. А. Коняхин, А. А. Мараев, А. Н. Тимофеев, В. Ф. Гусаров
КОНТРОЛЬ СМЕЩЕНИЙ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ С ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ
Исследуются оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной, предназначенные для контроля пространственного положения объектов. Показано, что развитие таких систем возможно путем совершенствования их структуры и алгоритмов обработки информации, что позволяет уменьшить воздействия внешней среды. Получены выражения для определения смещения базовой плоскости оптической равносигнальной зоны, вызванного воздействием градиента температуры воздушного тракта, и оптимальной постоянной времени системы.
Ключевые слова: оптико-электронная система, оптическая равносигнальная зона, дисперсионный метод, оптимизация параметров.
Для решения технологических задач и мониторинга состояния промышленных и транспортных объектов требуется обеспечить контроль поперечных смещений рабочих органов машин или элементов конструкции относительно протяженной измерительной базы [1—5] в широком линейном диапазоне. Такой контроль может осуществляться оптико-электронными системами (ОЭС) с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ), которые сочетают высокую энергетическую чувствительность к смещениям [6] с возможностью адаптивной корректировки воздействий внешней среды [7].
Совершенствование систем с ОРСЗ [8] в основном определяется применением современной электронной элементной базы и средств цифровой обработки информации с использованием методов ослабления внешних воздействий.
Оптический сигнал ОРСЗ формируется блоком задания базового направления (ЗБН) в физической среде и подвергается воздействию помех, создаваемых источниками излучения, модулятором и объективом. В свою очередь, на оптический сигнал ОРСЗ в процессе прохождения им воздушного тракта влияют помехи физической среды, которые вызывают регулярное смещение и колебания пространственного положения ОРСЗ. Приемная часть системы, размещаемая на контролируемом объекте, преобразует оптические сигналы Хопт в электрические Хэл 1, Хэл 2, и в результате генерируется сигнал X, пропорциональный величине смещения приемной части относительно сформированной ОРСЗ. При этом в приемной части присутствуют воздействия на оптическую систему, приемник оптического излучения, модуль обработки сигнала, что приводит к искажению информации, содержащейся в оптическом и электрическом сигналах (рис. 1).
Анализ представленной структуры и принципов функционирования системы с ОРСЗ позволяет определить следующие основные направления развития данных систем:
— теоретический анализ физических явлений, ухудшающих технические характеристики систем, и совершенствование методов их ослабления;
— разработка программных и аппаратных средств на базе современных электронных и оптических компонентов для реализации методов ослабления воздействий физической среды.
Рис. 1
Оценка влияния внешних условий на работу систем с ОРСЗ показала, что наиболее существенными являются:
1) помехи, возникающие в воздушном тракте и вызывающие как регулярное смещение (градиент температуры воздушного тракта), так и колебания положения ОРСЗ (турбулентность воздушной среды);
2) помехи, возникающие в приемной части из-за шумов при преобразовании оптического сигнала в электрический, что вызывает погрешности регистрации положения ОРСЗ.
Первые из указанных помех помех вызваны так называемой регулярной рефракцией — искривлением пучков лучей вследствие изменения среднего значения показателя преломления среды по длине воздушного тракта, что приводит смещению положения ОРСЗ от „истинного" [2, 4].
Анализ современных методов ослабления влияния рефракции показал, что в настоящее время применительно к системам с ОРСЗ наиболее эффективным является дисперсионный метод (метод спектральных разностей), при котором формируется полихроматическая ОРСЗ [7]. В реальных условиях эксплуатации градиент влажности и давления воздушной среды невелик, поэтому по измеренной величине смещения лучей с двумя длинами волн и может быть определена величина регулярной рефракции [9].
Как известно [7], градиент температуры в вертикальной плоскости для длин волн
и оптического излучения вызывает соответственно смещение ОРСЗ на величины Ау1 и Ду2 (рис. 2). В свою очередь, приемником оптического излучения (ПОИ) генерируются электрические сигналы Хэл 1 и Хэл 2. При этом в случае равенства энергетических чувствитель-ностей
Т1ЗД/1 =Т2 ¡2 = V , (1)
где для двух длин волн и Х2 соответственно: т1, т2 — коэффициенты пропускания среды; 51, 52 — интегральная чувствительность приемника оптического излучения; Ь1, Ь2 — яркость источников излучения; 11, 12 — ширина переходного участка ОРСЗ, определяемая аберрациями
и дефокусировкой объектива блока ЗБН, разность выходных электрических сигналов Хд^2 при воздействии регулярной рефракции для выбранных длин волн можно определить как
А1,2
Ж т'У §гаё уТ (п1 - п2)
П1П2Т
(2)
где 5' — площадь выходного зрачка объектива блока ЗБН; У — площадь входного зрачка оптической системы приемной части; п1, п2 — показатели преломления воздушного тракта для двух длин волн, Т — температура.
Приемная часть
Рис. 2
Градиент температуры согласно с выражению (2) можно определить как
уТ =
ХА1,2 п1п2Т
ЖюУ(щ - п2 )
(3)
соответственно величину смещения у приемной части, исключая воздействие рефракции, — как
У =
ХЕ1,2 - ХА1,2 (п1 (п2 -1) + п2 (п1 - 1))
4Жжэ 5 ' (п1 - п2 )
(4)
где ХЕ12 = Жга '
4у / г2 + %га&уТ(2п1п2 - п2 - п1) п1п2Т, г — расстояние от блока ЗБН до
приемной части; при этом Хд1,2 — для вычисления величины поправки к смещению, вызванному воздействием градиента температуры воздушного тракта, — будет в соответствии с алгоритмами (1)—(4) вычисляться модулем обработки сигналов (см. рис. 1).
Эксперименты по оценке возможности реализации дисперсионного метода в ОЭС подтвердили его реализуемость [7, 10, 11].
В то время как регулярная рефракция в процессе работы системы с ОРСЗ имеет систематический характер, турбулентность воздушной среды вызывает локальные изменения показателя преломления, которые в результате приводят к случайным отклонениям траектории распространения излучения. Ослабление этого явления возможно путем адаптации к изменяющимся условиям постоянной времени I модуля обработки сигналов.
Как известно из работ [2, 4], при диаметре П1 выходного зрачка оптической системы блока ЗБН и диаметре Б2 входного зрачка оптической системы приемной части, превышающих размер неоднородности показателя преломления воздушного тракта (а), среднеквадрати-ческое отклонение смещения 5у0рсэ энергетической оси луча, вызванное действием всех неоднородностей, равно [2]:
§У0РСЗ = 5Утс,
где 5ут = z0 /3a [4], 5ф — среднеквадратическое значение углового ухода луча за счет
действия одной неоднородности, равное среднеквадратическому значению изменения показателя преломления, т.е. 5ф = Лл; zo — дистанция фокусировки объектива блока ЗБН;
C =
N -2
г=1[81 + (82-е1)(1 - К]1, м
^-i-1 ^ i2 , здесь 81 = В1/ а, 82 = £>2 / а , N = z0 / а — коэффи-
циент ослабления влияния турбулентности за счет размера зрачков оптических систем блока ЗБН и приемной части.
Если передаточная функция Ф(]ш) системы с ОРСЗ имеет вид инерционного звена первого порядка (что часто встречается на практике) [12]:
Ф(» = к /(+1),
где к — коэффициент передачи системы с ОРСЗ, ш — круговая частота, а энергетический спектр колебаний положения ОРСЗ при камеральных условиях определяется выражением [4]
Ет (ш) = 5у;
2 а т
л;^со2 +а21
где ат — коэффициент корреляционной связи спектра флуктуации турбулентности, то сред-неквадратическая погрешность 5уОРСЗ, обусловленная турбулентностью, при постоянном входном сигнале (т.е. постоянной величине смещения у) будет определяться как
5Уорсз = 5УтС —. (5)
]/ а^ +1
Из выражения (5) следует, что в целях уменьшения среднеквадратической погрешности 5уОРСЗ постоянную времени I необходимо увеличивать.
С другой стороны, если считать, что рассматриваемая система является разомкнутой линейной стационарной системой с передаточной функцией Ф(/ю), а энергетический спектр флуктуации регистрируемых смещений представляется выражением
2 асм
-смч^/ - ч/см 2 2
Есм (ш) = §Ус
Я(ш + ас;м)
2
где асм — коэффициент корреляционной связи спектра контролируемых смещений, 5усм — дисперсия регистрируемых смещений, то динамическая погрешность 5уд воспроизведения случайного регистрируемого смещения, распределенного по нормальному закону, вследствие инерционности системы будет определяться как [12]
8уд(6)
Анализируя выражение (6), можно отметить, что с увеличением постоянной времени динамическая погрешность 5уд возрастает.
Известно, что среднеквадратическая погрешность 5уПОИ в случае, когда источником ошибок являются только шумы приемника оптического излучения УПОИ (см. рис. 1), осуществляется оптимальная обработка аддитивной совокупности входных сигналов Хвх и шумов ^ПОИ и передаточная функция модуля обработки сигналов представляется инерционным
звеном первого порядка с эквивалентной полосой пропускания А/Экв = 1/(20 [2], может быть представлена выражением
............(7)
5Упои = (* Ж 2')
где Ж — энергетическая чувствительность ОЭС к смещениям; * — интегральная чувствительность приемника к излучению источника ОЭС; е — заряд электрона, I — ток, протекающий через ПОИ.
Тогда случайная составляющая 5у суммарной погрешности, обусловленной основными влияющими на работу системы факторами (турбулентностью, инерционностью и шумами приемника — формулы (5), (6), (7) соответственно), определяется как
5У = 75Уо РСЗ +5Уд2 +5>П ОИ ^ * VI + ат *
5усм
1 + асм *
е1
* 2Ж 2*
(8)
Анализ выражения (8) показывает, что при увеличении постоянной времени * динамическая составляющая погрешности 5уд возрастает, в то же время составляющие 5уОРСЗ и 5упои, обусловленные турбулентностью и шумами, уменьшаются.
Как показывает анализ представленной на рис. 3 зависимости 5у(0, уменьшение коэффициента С за счет увеличения диаметра П1 выходного зрачка объектива блока ЗБН системы с ОРСЗ позволяет уменьшить величину случайной составляющей погрешности (для коэффициентов С=0,8 (А=25 мм, £2=35 мм) и С=0,7 (А=28 мм, £2=35 мм) при 5у2см = 0,000 578 мм2; асм = 0,131; 5/т = 0,000 243 мм2; ат = 0,15; I = 0,015 А; * = 0,164 А/Вт; Ж = 2!0-7 Вт/мм), а также выбрать наименьшее значение постоянной времени.
5у, мм
0, 01802 0,01774 0,01746 0,01718 0,0169 0,01662 0,01634 0,01606 0,01578 0,0155
ч
С=0,8
С=0,7
0 0,1 0,2 0,3 с
Рис. 3
В результате оптимальное значение постоянной времени системы *опт для наиболее вероятных условий применения, когда а-^«! и асм*<<!, можно вычислить с помощью выражения
*опт
е1
* 2Ж2 (
2 а
см^см
2 2 + 5ут С а т
(9)
Таким образом, варьируя постоянную времени системы с ОРСЗ в соответствии с выражением (9), можно ослабить внешние воздействия и тем самым реализовать адаптивную схему системы.
Для адаптивных систем с ОРСЗ цифровые методы формирования и обработки сигналов
при определенных преобразованиях в ряде случаев превосходят аналоговые методы по точности и гибкости, что объясняется следующими особенностями:
— программное обеспечение цифровых методов позволяет облегчить их настройку и проверку;
— цифровые методы требуют только арифметических действий умножения и сложения-вычитания, что позволяет повысить быстродействие системы в целом;
— изменения температуры или влажности среды не приводят к изменению параметров и характеристик цифровых вычислительных устройств, таким образом, не требуется применение компонентов высокой точности.
Итак, на основании вышеизложенного можно заключить следующее:
— ослабление воздействия регулярной рефракции возможно при применении полихроматической ОРСЗ, реализованной на двух длинах волн оптического излучения;
— анализ дисперсии колебаний спектрозональной разности позволяет оценивать величину колебаний смещения ОРСЗ, вызванных воздействием турбулентности, и выбирать постоянную времени модуля обработки системы в целях уменьшения суммарной погрешности;
— наряду с очевидным, с точки зрения техники проектирования, применением современной электронной элементной базы совершенствование систем с ОРСЗ должно осуществляться в направлении построения цифровых систем, автоматически адаптирующихся к воздействию внешних условий;
— одним из основных критериев обработки информации в таких системах должен быть минимум систематической и случайной составляющих погрешностей измерений.
Статья подготовлена по результатам работы, выполненной при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (гос. задание 2014/190 и 8.599.2014/К).
список литературы
1. ЯкушенковЮ. Г. Основы оптико-электронного приборостроения. М.: Логос, 2013. 376 с.
2. Джабиев А. Н., Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной: Монография / Под общ. ред. Э. Д. Панкова. СПб: СПбГУ ИТМО, 1998. 238 с.
3. Анисимов А. Г., Алеев А. М., Пантюшин А. В., Тимофеев А. Н. Основные погрешности контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы // Оптич. журн. 2009. Т. 76, № 1. С. 3—8.
4. Дементьев В. Е. Современная геодезическая техника и ее применение. М.: Академический проект, 2008. 591 с.
5. Коротаев В. В., Пантюшин А. В., Тимофеев А. Н. Оптико-электронные системы контроля положения реперных меток // Путь и путевое хозяйство. 2012. № 11. С. 34—37.
6. 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.
7. Витол Э. А., Мусяков В. Л., Коняхин И. А., Тимофеев А. Н. Реализация дисперсионного метода в оптико-электронных системах с оптической равносигнальной зоной // Сб. тр. VI Междунар. конф. „Прикладная оптика", 18—21 окт. 2004 г., Санкт-Петербург. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. Т. 1. С. 37—40.
8. Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н., Богатинский Е. М., Яковлев П. В. Направления развития оптико-электронных систем с оптической равносигнальной зоной / Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 9. С. 27—31.
9. Прилепин М. Г., Голубев А. Н. Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. М.: Недра, 1972. 168 с.
44
К. В. Ежова, В. А. Зверев, Нгуен Ван Луен
10. Богатинский Е. М., Коротаев В. В., Мараев А. А., Тимофеев А. Н. Исследование путей ослабления влияния воздушного тракта в распределенных оптико-электронных системах предупреждения техногенных катастроф // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010. № 3 (67). С. 130.
11. Мараев А. А., Тимофеев А. Н., Ярышев С. Н., Пантюшин А. В. Исследование метода спектрозональной селекции в оптико-электронной системе предупреждения техногенных катастроф // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 12. С. 80—81.
12. Порфирьев Л. Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. СПб: Изд-во „Лань", 2013. 400 с.
Игорь Алексеевич Коняхин
Антон Андреевич Мараев Александр Николаевич Тимофеев Вадим Федорович Гусаров
Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов и систем
Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; Университет ИТМО, кафедра оптико-электронных приборов и систем, Санкт-Петербург; E-mail: igor@grv.ifmo.ru
аспирант; Университет ИТМО, кафедра оптико-электронных приборов и систем, Санкт-Петербург; E-mail: antoshka87@gmail.com канд. техн. наук; Университет ИТМО, кафедра оптико-электронных приборов и систем, Санкт-Петербург; E-mail: timofeev@grv.ifmo.ru аспирант; Университет ИТМО, кафедра оптико-электронных приборов и систем, Санкт-Петербург; E-mail: hoarfrost.vg@gmail.com
Поступила в редакцию 05.03.14 г.
УДК 535.317.226
К. В. Ежова, В. А. Зверев, Нгуен Ван Луен
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПОНЕНТОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО УВЕЛИЧЕНИЯ
Рассматриваются методы определения основных параметров оптической системы переменного увеличения при замене реальной оптической системы эквивалентной системой тонких компонентов. Показано, что знание основных параметров компонентов позволяет вычислить текущие значения их аберрационных параметров, получить представление о характере изменения аберрационных свойств системы, а следовательно, оценить возможность уменьшения аберраций изображения путем изменения значений основных параметров.
Ключевые слова: аберрация, переменное увеличение, оптическая система переменного увеличения, коэффициент аберрации, тонкий компонент, основной параметр.
Любая сколь угодно сложная оптическая система, состоящая из произвольного числа элементов (линз), при конечном расстоянии между ее главными плоскостями и отличной от нуля оптической силе называется однокомпонентной, если при всех возможных подвижках она перемещается как единое целое. Однокомпонентную оптическую систему целесообразно представить главными плоскостями, положение которых на оптической оси определяется главными точками Н и Н'. При известном фокусном расстоянии /' оптической системы и требуемом поперечном увеличении V изображения расстояние Ь между осевыми точками предмета и изображения определяется формулой [1]
Ь = ^нн'- 1', (1)
где ённ' — расстояние между главными плоскостями.
