CC BY
149
Урванцев И.А.*, Мурашкина Т.И.**
*ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»
**ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Квантово-оптические системы - это системы, в состав которых входят лазерные устройства [1] . Они в основном применяются в следующих областях техники:
- лазерная космическая и атмосферная связь, в т.ч. низкоорбитальные космические комплексы дистанционного зондирования Земли и разведки, геостационарные ретрансляторы, атмосферные линии связи ;
- бортовая лазерная локация, в т.ч. топогеодезические космические аппараты, системы сближения и стыковки космических аппаратов (КА), бортовые оптико-локационные системы;
- бортовые системы видеонаблюдения, в т.ч. системы видеорегистрации для самолетов, оптико-локационные системы для самолетов, системы обнаружения, распознавания целей для наведения ракет систем ПРО;
- системы измерения параметров движения космических объектов, в т.ч. космические навигационные и геодезические системы, эталонирование и контроль точностных характеристик радиотехнических средств измерения текущих навигационных параметров КА, навигационный контроль геостационарных и высокоэллиптических КА, при их выведении и нахождении на орбите, обнаружение и измерение угловых координат КА и объектов космического мусора в интересах систем контроля космического пространства, каталогизации космических объектов;
- системы экомониторинга атмосферы и контроля техногенных катастроф (лидары).
При проведении приемо-сдаточных испытаний (ПСИ) квантово-оптических систем (КОС) одной из метрологических задач является имитация лазерного излучения определенных параметров и их измерение. Как правило, оценке подлежат следующие параметры:
- интенсивность лазерного излучения;
- диаграмма направленности лазерного излучения;
- расходимость лазерного излучения;
- пространственное положение оптических осей систем, входящих в комплекс;
- угол отклонения направления излучения;
- нестабильность оси диаграммы направленности лазерного излучения.
Имитация и измерение указанных параметров и характеристик лазерного излучения осуществляется с помощью оптико-электронной аппаратуры, основой которой являются коллиматоры.
Анализ разработок квантово-оптических систем показывает, что для сборки, юстировки и проведения ПСИ КОС в каждом отдельном случае создается контрольно-измерительная аппаратура, включающая в себя набор измерителей, имитаторов и контрольно-юстировочных приборов, представляющих собой как стандартные, так и нестандартные средства измерения.
Требование повышения точностных характеристик измерительных систем и их габаритов резко увеличивает материальные затраты на их разработку и изготовление, особенно на высокоточные крупногабаритные объективы. Кроме того, для реализации требуемых точностей необходимо обеспечение эксплуатационных условий, что обычно решается путем создания специальных сооружений с двухконтурной системой стабилизации температуры в измерительном зале и с виброизолирующим фундаментным блоком для размещения КОС и измерительной аппаратуры.
Разумеется, в этом случае необходимо создание контрольно-измерительной аппаратуры из набора таких имитаторов и измерителей и необходима разработка нового подхода к построению контрольноизмерительной аппаратуры, которая использовалась бы, кроме того, не только для одного заказа. Т.о. необходим модульный принцип построения испытательного стенда, при котором возможно максимальное количество реализаций различных оптических схем, позволяющих контролировать параметры различных КОС. При этом должны быть учтены следующие требования:
- разработка узлов, работающих с единым высокоточным объективом, вместо разработки набора высокоточных приборов;
- повышение точностных характеристик юстировочно-измерительного комплекса за счет применения приемных устройств высокого разрешения и повышение качества оптики;
- создание в оптической схеме коллиматора специального канала, который бы регистрировал колебания изображения объекта в фокальной плоскости, вызванные остаточным виброфоном и конвекционными потоками воздуха в световой зоне, и с помощью вычислительного программного комплекса учитывал бы этот сдвиг [3].
Далее, для примера, представлены две схемы фокальных узлов, позволяющих посредством коллиматора производить ПСИ бортового терминала лазерной связи (БТЛС) и ретрорефлекторной антенны [2].
При проведении ПСИ БТЛС фокальный узел строится по следующей схеме (рисунок 1) . В фокальной плоскости коллиматора через светоделительную куб-призму устанавливаются матричный фотоприемник, лазерный имитатор маяка и уголковый ретрорефлектор.
Рисунок 1 - Схема фокального узла при контроле БТЛС.
В пеленгующий канал БТЛС поступает сигнал маяка, угловой размер которого воспроизводится с помощью коллиматора (рисунок 2) . После этого БТЛС наводится на абонента и передающая лазерная ан-
тенна высылает ему сформированный информационный пакет. Через коллиматор информационный пакет поступает на матричный фотоприемник, установленный в его фокальном узле. При этом на фотоприемник так же поступает сигнал маяка, отраженный ретрорефлектором. На экране компьютера оператора виден кружок рассеяния сигнала имитатора маяка, в пределах которого должен находиться кружок рассеяния сигнала передающей антенны БТЛС (рисунок 3).
При этом программными методами учитывается также битовая ошибка передачи информации от БТЛС.
При проведении ПСИ ретрорефлекторных антенн оптическая схема фокального узла коллимирующей системы строится также как и в предыдущем случае за тем лишь исключением, что используется лазер другой длинны волны и интенсивность его излучения меняется с помощью фильтра переменной плотности, обеспечивающего реализацию измерений по уровням 1/2, 1/е, 1/10 (рисунок 4).
Диагональное зеркало Главное зеркало
Рисунок 2 - Схема контроля БТЛС
Рисунок 3 - Окно программы контроля БТЛС
Рисунок 4 - Схема фокального узла при контроле ретрорефлекторной антенны
Таким образом, возможно определение не только диаграммы направленности отраженного ретрорефлекторами излучения, но и степени её стабильности.
Возможна реализация схем фокальных узлов и для других систем, однако, как показано на данных двух примерах, схемы будут отличаться незначительно. Отличия возможны лишь в необходимости применения некоторых дополнительных простых оптико-механических узлов и источников излучения с разными длинами волн и энергетикой, а также соответствующих им приемников излучения.
Т.о. при современной широкой номенклатуре КОС перспективной и вполне осуществимой задачей является создание комплексного оптического стенда позволяющего на базе высокоточной коллимирующей системы реализовать практически все виды измерительных схем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Генике А.А., Кузнецов Ю.Ф. Особенности современного метрологического обеспечения геодезической дальномерной техники // Метрология в дальнометрии. III Всесоюзная научно-техническая конференция (18 - 20 октября 1988 г.) Харьков. Тезисы докладов. С. 11-12.
2. Шаргородский В.Д. и др. Исследование диаграммы направленности уголковых отражателей с различным покрытием граней // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2011 г., т. 16, № 3,
с.с. 47-50.
3
ред.
Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М. Орлов, И. В. Самохвалов, Г.М. Креков и дрПод В.Е. Зуева. - М.: Радио и связь, 1985 - 264 с.
