CC BY
4
УДК 535.4; 681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-213-218
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ВЫХОДЕ ФОТОПРИЕМНОЙ СИСТЕМЫ МЕТОДОМ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ
Е.Е. Майоров, В.П. Пушкина, А.В. Арефьев, Ю.М. Бородянский, А.В. Дагаев, Р.Б. Гулиев
Настоящая статья посвящена определению оптического сигнала на выходе фотоприемной системы методом непосредственного интегрирования. Анализ оптического сигнала на выходе фотоприемной части любой оптико-электронной системы или прибора имеет принципиально важное значение, так как сигнал влияет на точность измерений, поэтому работа перспективна и актуальна. В статье приведены схемы: фиксация оптического сигнала, исследование оптического сигнала в фазоизмери-тельных системах. В работе получены изменения сигналов для различных апертурных углов фотоприемника 2а при X = 0,6328 мкм, d = 100 мкм. Рассчитана динамика амплитуды выходного сигнала при
изменении угла между пластинами интерферометра разной толщины.
Ключевые слова: оптический сигнал, метод непосредственного интегрирования, оптико-электронная система, поляроид, апертурный угол, фотоприемная часть, пластины интерферометра.
Создание современных высокоточных и высокоинформативных оптико-электронных приборов, и систем всегда являлась важнейшей задачей для оптического приборостроения [1, 2]. На сегодняшний день существует широкий класс оптических приборов и систем, которые применяются в различных областях науки и техники [3, 4]. Основным параметром, влияющим на точность измерений прибора или системы, является оптический сигнал на фотоприемной части устройства.
Первые научные труды по оптической обработке сигналов анонсированы в 50-е годы в Соединенных Штатах Америки Мичеганский университет [5, 6]. С появлением лазерных установок в 60-е годы ученым удалось продвинуться этом направлении. Появились высокие возможности по производительности и быстродействию обработки, но были и свои минусы, например, ввод сигналов в пространственно-временной модулятор света. В дальнейшем был получен существенный прорыв в обработке оптических сигналов благодаря совершенствованию элементной базы оптоэлектроники [7, 8].
Оптический сигнал - это световая волна, которая несет определенную информацию [9, 10]. Световая волна отлична от радиоволны, так как вследствие малой длины волны она может осуществлять передачу, прием и обработку, а также быть модулированной по временным и пространственным координатам [11-15].
Поэтому анализ оптического сигнала на выходе фотоприемной части любой оптико-электронной системы или прибора имеет принципиально важное значение, так как сигнал влияет на точность измерений [15-24].
Целью работы явилось определение оптического сигнала на выходе фотоприемной системы методом непосредственного интегрирования.
Постановка задачи. На примере фотоприемной части фазоизмерительной системы показать возможность использования высококогерентного источника света для обработки различных фотооптических сред регистрации, а также выявить изменение амплитуды выходного сигнала при изменении угла между пластинами интерферометра.
Анализ оптического сигнала на выходе фотоприемной части фазоизмерительной системы. Для исследования оптических сигналов важное значение имеет геометрия освещения объектов различной формы и, конечно же, определение направления наблюдения. При анализе сигнала на выходе фотоприемной части прибора ни геометрия световых лучей, ни направление наблюдения не имеют никакого значения. В связи с этим направление освещения будет перпендикулярно вектору смещения, а фиксация сигнала будет осуществляется по схеме, показанной на рис. 1.
Для малых углов ах разность фаз световых пучков а: и аз, как показано на рис. 2, будет:
2л
9 = —~ad + рü, (1)
X
где 1 - длина волны излучения а = а0 +ax - угол, определяющий направление наблюдения; а0 - биссектриса апертурного угла наблюдения; а - угол, отсчитываемый от угла а0, d - смещение объекта.
Тогда
где
y = q>0 + Р
/ 2л
Р0 =Ха°d ,
/2л , 2л x . (2)
р = — а^-d =--d'
X x X f
ф0 - произвольная фаза опорной волны, ф0/ - фаза освещающей волны, ф/ - фаза некоторого луча. Для световых пучков а1 и а2 запишем разность фаз с учетом интерферометра сдвига:
Ри = Р'и 0 + Ри0 + Р'и,
, 2я . , 2п х . где Ри0 =-Т а0ёи , Ри = ^ и .
Л
Л /
Рис. 1. Фиксация оптического сигнала: й - смещение объекта; А и В - элементы поверхности; I - интерферометр сдвига; О - собирающая линза; Б - фотоприемная часть
Для разности фаз а2 и аз:
Рд = Ри -Р = Р°Л+Рд+Р0Л
где < 2п ёи - ё 2п
где Р0Л = Ри0-Р0, Рд = и
2п
х = —х, р0д=—а0 (¿и - ё).
Л / хд Л
Vl(^t) (i})Vг (¡¡)
VI (4) VI
Ш
Рис. 2. Структурная схема исследования оптического сигнала в фазоизмерительных системах оптического сигнала: А, А' - элементы поверхности; В, В' - мнимые изображения А, А', 1 - интерферометр сдвига; 2 - пластина Х/2; 3 - поляроид; 4 - фотоприемное устройство; й - смещение точек поверхности; йи - смешение интерферометра
Для разности фаз ai и а4:
Py =Ры + Р = Р°у + Р0У +Ру
где
2—
р0У=ри0 р'0У =— ао (du + d),
2ж d., + d 2ж
Py ='
-x =-x , xy =■
тогда
X f Xy
Ры 0 = П = 0
Л d., + d
(3)
Итак, сигнал на выходе фотоприемной части прибора находится непосредственным интегрированием по линейной апертуре фотоприемной части, равной 1. С учетом выражения в [20-24] получим
11 dx -
где
I = 4a2 cos (ot-ри)+ 2a2 cos (р + ры -ot) + 2a2 cos (р~ри + ot).
4 2
u
= J 2a2
cos
-4 2 1/ 2
uy=J 2a2 cos
-112 112
ии = J 4a2 cos
-112
cos
0t-\ —— + ф'оА XK
ot-\ — + Фоу
xy
, 2— , ot -\ —+Ф
ж l x
dx = 2a2 x- sin I — I cos (ot - р'ок)
ж l x.
dx = 2a2 —- sin \ — I cos (ot - p0y)
dx = 4a2 x- sin I —- I cos (ot - <ро,ы)
Выходной сигнал фотоприемника представим в следующем виде:
и = и0 cos
(ot + ф)
где амплитуда ио и его фаза ф:
и02 = и02Л + и02и + u02y + 2иаАи0и cos (фД -Фи ) +
+ 2иоДи0У cos (ФЛ - ФУ) + 2иоУи0и cos (ФУ -Фи ),
tg Ф =
и0и sin ФЫ + и0У sin ФУ + и0Л sin ФД и0и cos Фы + и0У cos ФУ + и0Л sin ФЛ
(4)
(5)
где
и0и = 4а2 — sin — 1 и0у = 2а2 — sin — 1 и0д = 2а2 — sin — 1
ж xu , ж xy , ж XЛ , ФУ - Фи =-Р0,
о
ФУ-ФЛ=-2Р0 , Фд Фы =-Р0, Фы = -р0, Фу=-Р0у, ФЛ=-Р0Л Для удобства расчётов и графического представления параметров выходного сигнала заменим выражение апертуры в линейном измерении на угловую. Будем учитывать минимальные значения апер-турных углов и в формулах (4) и (5):
1 = 2 fa» ,
где 2ан - угловая апертура фотоприемника, f- фокусное расстояние.
Окончательно для построения графических зависимостей получим следующее выражение:
fX . 2жан (du - d)
2 xy ■ —
,2 ж
2a —-г sin -
ж((. - d ) X
2a2 (fX ) sin 2жан(d. + d)' ж(du + d ) X
2 fX . 2жанdы 4a -—sin-——
+ 16a'
4 f 2X2 Г.:_ 2жан (d. - d)
—2dи (d. - d)
2жан du
X
2жа0 d cos-— +
X
8 4 f X
+ 8a4 ———-—Г7-rsin
2жан (du - d) , 2жан (du + d)
ж2 (du - d)du + d) X
X
2—a0d , f2XX . 2жан . 2жан(du + d) 2—a0d
x cos-— + 16a2 2 ,-rsin-- sin--- cos-—
X ж du (du + d) X X X
x
и
и
+
X
Приведенные расчетные зависимости по формуле (6) на рис. 3 показывают возможность применения высококогерентных источников излучения для обработки изображений записанных на различные фотооптические регистрирующие среды.
На рис. 4 представлено рассчитанное по формуле (6) изменение амплитуды сигнала при вариации угла между пластинами интерферометра. На графиках видно, что чем больше толщина пластины, тем чувствительность прибора растет.
Проведенный анализ оптического сигнала на выходе фотоприемной системы методом непосредственного интегрирования показал возможность использования высококогерентного источника света для обработки различных изображений на фотооптических средах регистрации.
и» и01
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
/
<
\ \> /
у VC
s / V h
- 2ан= 0,04 -20^=0,08
- 2ан= 0,1«
d_ d.
0,98 0,99 1,00 1,01 1,02 Рис. 3. Изменения сигналов для различных апертурных углов фотоприемника 2ан при Л = 0,6328
мкм, ё = 100 мкм
и» и„„
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
/ / \ 1 л \ 1 л
/ / \ / M \/ Y А \ л
\ л / 7\
\d = 9 (мкм d = 95мк* /d = IOOmi и \ /d = ООмкм
\ d = 9< мкм\ -\ d = 95мкм
мрад
Рис. 4. Динамика амплитуды выходного сигнала при изменении угла между пластинами интерферометра: — - h = 12,0 мм;--h = 10,0 мм
Заключение. Расчеты выявили, что изменение амплитуды выходного сигнала при изменении угла между пластинами интерферометра влияет на чувствительность системы. Представленные исследования могут представлять интерес для оптического приборостроения, в частности, голографии.
Список литературы
1. Свет В.Д. Оптические методы обработки сигналов. М.: «Энергия». 1971. 104 с.
2. Кондратенков Г.С. Обработка информации когерентными оптическими системами. М.: «Сов.радио». 1972. 207 с.
3. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины. М.: «Мир», 1974. 382 с.
4. Юу Ф.Т.С. Введение в теорию дифракции, обработку информации и голографию. М.: «Сов.радио», 1979. 304 с.
5. Оптическая обработка информации / Под ред. Д.Кейсесента. М.: «Мир», 1980. 349 с.
6. Парыгин В.Н., Балакший В.И. Оптическая обработка информации М.: Изд-во МГУ, 1987.
141 с.
7. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / Под ред. С.В. Кулакова. М.: «Радио и связь», 1989. 135 с.
8. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М. Введение в оптоэлектронику. М.: «Высшая школа», 1991. 191 с.
9. Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: «Высшая школа», 1988. 237 с.
10. Большаков О.П., Котов И.Р., Хопов В.В., Майоров Е.Е. Обработка голографических интер-ферограмм и спеклограмм с использованием двухчастотного лазера // Актуальные проблемы анализа и синтеза сложных технических систем. НТ вестник. 2003. Вып.11. С.21-24
11. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Цыганкова Г.А., Машек А.Ч., Константинова А.А. Разработка оптической системы обработки голографических интерферограмм // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 7. C. 25-32 DOI: 10.25791/pribor.07.2020.1190
12. Курлов В.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Таюрская И.С. Экспериментальное исследование разработанной интерференционной системы для измерений поверхности объектов сложной формы // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 8. C. 179-189.
13. Арефьев А.В., Бородянский Ю.М., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Хохлова М.В. Измерение микрорельефа негладких поверхностей автоматизированным интерферометром в низкокогерентном свете // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 8. C. 211-219
14. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Исследование разработанного интерферометра поперечного сдвига для настройки интерференционных полос при обработке интерферограмм // Приборы. 2021. № 2. С. 20-25.
15. Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Константинова А.А., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Громов О.В. Расчет основных параметров оптико-электронной системы наблюдения и изучения интерференционных структур на голограммах // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 2. C. 184-192.
16. Майоров Е.Е., Громов О.В., Курлов В.В., Коцкович В.Б., Петрова Е.А., Пушкина В.П., Таюрская И.С. Исследование рельефа поверхности биологических объектов методом контроля, анализирующим расходимость // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 2. C. 383-388
17. Хохлова М.В., Арефьев А.В., Майоров Е.Е., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Громов О.В. Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанного оптического щупа триггер-ного типа // Приборы. 2021. № 5. С. 8-16.
18. Хохлова М.В., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Громов О.В. Исследование оптико-электронной системы при обработке голографических пластин // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 8 (110). С. 103-108. DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2021.110.8.015
19. Хохлова М.В., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Громов О.В. Интерференционная система измерения геометрических параметров отражающих поверхностей // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 6 (108). С. 184-189. DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2021.108.6.029
20. Черняк Т.А., Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Попова Е.В., Петрова Е.А., Хохлова М.В. Математическое моделирование интерференционного сигнала и получение диапазона измерений величины смещения // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып.6. С. 199-204. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-199-204
21. Майоров Е.Е., Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А., Цыганкова Г.А. Исследование флуктуаций фазы выходного сигнала системы фазовых измерений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 9. С. 1-6. DOI: 10.25791/pribor.9.2021.1287
22. Арефьев А.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Сорокин А.А., Удахина С.В. Исследование разработанного интерференционного зонда для измерения неровностей реальных поверхностей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2022. № 2. С. 1-6. DOI: 10.25791/pribor.2.2022.1319
23. Майоров Е.Е., Коцкович В.Б., Пушкина В.П., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В. Исследование оптических плоских поверхностей светоделительных пластин средством когерентной оптики // Научное приборостроение. 2022. Т.32. №2. С. 65-74
24. Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Петрова Е.А., Попова Е.В., Курлов В.В., Удахина С.В. Измерение геометрических параметров поверхностей сложной формы низкокогерентной оптической системой // Приборы. 2022. № 5 (263). С.3-7.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Пушкина Вера Павловна, канд. экон. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Дагаев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,
Бородянский Юрий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Университет при межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС
DETERMINA TION OF THE OPTICAL SIGNAL AT THE OUTPUT OF THE PHOTODETECTOR SYSTEM BY
DIRECT INTEGRATION
E.E. Maiorov, V.P. Pushkina, A.V. Arefiev, A.V. Dagaev, Y.M. Borodyansky, R.B. Guliyev
This article is devoted to the determination of the optical signal at the output of a photodetector system by direct integration. The analysis of the optical signal at the output of the photodetector part of any optoelectronic system or device is of fundamental importance, since the signal affects the accuracy of measurements, therefore the work is promising and relevant. The article presents the schemes: optical signal fixation, optical signal research in optical signal phase measuring systems. In this work, changes in signals for different aperture angles of the photodetector are obtained at Я = 0,6328 microns, d = 100 microns. The dynamics of the output signal amplitude is calculated when the angle between the interferometer plates of different thicknesses changes.
Key words: optical signal, direct integration method, optoelectronic system, polaroid, aperture angle, photodetector part, interferometer plates.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation
(GUAP),
Dagaev Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) State educational institution for higher professional education" Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation",
Borodyansky Yuriy Mihailovich, candidate of technical sciences, docent, borodvanskvum@smail. com, Russia, St. Petersburg, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications,
Guliyev Ramiz Balihanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, University at the EurAsEC Interparliamentary Assembly
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-218-223
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА В РЕЖИМЕ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
М.Д. Кирсанов, А.Н. Хомячкова
Рассмотрены преимущества использования твердотельных волновых гироскопов в режиме датчика угловой скорости, принцип работы. Предложены варианты реализации электронного модуля с цифровой обработкой сигнала.
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, электронный модуль, датчик угловой скорости, цифровая обработка сигналов.
Одним из перспективных направлений в развитии гироскопии считаются волновые твердотельные гироскопы (ВТГ). Основными преимуществами ВТГ являются: малая стоимость при высоких точностных параметрах, большая надежность, способность сохранять инерциальную информацию при временных перерывах электропитания, малая чувствительность к механическим, температурным и магнитным возмущениям. Из-за отсутствия подвижных частей ВТГ обладает большим сроком службы [1].
218
