Современные методы проектирования систем автоюстировки высокоточных оптико-электронных приборов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.967.029.7

Н. В . Барышников, В . В . Карачунский, О . А. Свигач

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОЮСТИРОВКИ ВЫСОКОТОЧНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Рассмотрены возможности использования методов полунатурного моделирования при проектировании современных высокоточных лазерных оптико-электронных приборов. Разработаны методологические основы использования этих методов на ранних стадиях проектирования при разработке структурной и функциональной схем системы. Обоснована целесообразность использования полунатурной модели рабочего лазера для решения задачи автоюстировки системы.

E-mail: baryshnikov@bmstu.ru

Ключевые слова: оптико-электронная система, полунатурное моделирование, критический элемент, излучение высокой мощности, система автоюстировки.

Методы полунатурного моделирования занимают особое место в проектировании сложных систем управления. Как правило, их использование связано с промежуточными стадиями проектирования. На этих стадиях экспериментальный образец аппаратуры уже готов, но не отлажены алгоритмы обработки сигналов, не исследованы особенности работы аппаратуры во всем диапазоне изменения параметров входного воздействия. В этом случае полунатурные методы моделирования выходят на первый план.

Интересные особенности использования этих методов проявляются при проектировании высокоточных лазерных оптико-электронных систем (ОЭС). Уже на ранних стадиях проектирования эффективным оказывается включение в состав функциональной схемы полунатурной модели ее критического элемента (например, рабочего лазера). Методологические основы и особенности такого подхода рассмотрены в данной работе.

Полунатурное моделирование в современной научно-технической литературе рассматривается как исследование управляемых систем на моделирующих комплексах с включением в состав модели реальной аппаратуры [1]. В модель обычно входят имитаторы воздействий и помех, а также процессов, для которых неизвестно достаточно точное математическое описание.

При исследовании полунатурными методами ОЭС действующую систему, как правило, дополняют различными физическими имитаторами входных сигналов (в виде источников излучения, ослабителей и отражателей светового излучения и т.п.).

На рис. 1 приведена исследуемая система, включающая аппаратуру, на которую оказывается внешнее воздействие. Материальный источник воздействия характеризуется параметрами {А1, А2, А3 ,..., Ат, ..., АМ}.

При полунатурном моделировании этот материальный источник воздействия заменяют его физическим аналогом. Параметры Ат .... АМ

Рис. 1. Структурная схема полунатурной модели исследуемой системы

при моделировании необходимо изменить, а параметры А1 , ..., Ат_1

должны сохранять свои значения для адекватности проводимых исследований. Полунатурная модель части системы будет характеризоваться параметрами {А1',А2, А3,..., ААт, ..., А'М}, а модельные соотношения примут следующий вид:

А/= А ( = 1,...,(т-1)); А' * А ( = т,...,М). (1)

Структурная схема системы, иллюстрирующая использование метода полунатурного моделирования, включает физическую модель моделируемой части системы, компьютерную модель генератора внешнего управляющего воздействия, устройство сопряжения с исследуемой аппаратурой, непосредственно исследуемую аппаратуру, систему вывода и отображения информации. Генератор внешнего управляющего воздействия формирует сигналы управления

{а1з а2, а3,..., ат-1} параметрами А физической модели, которые представляют интерес при моделировании и должны соответствовать реальному воздействию на аппаратуру.

В результате на выходе формируется внешнее воздействие с параметрами {А;(а ) А2 (а2), А;з(а3 ), А'т-\ (ат-1), А'т, А'м}.

Следует отметить, что моделироваться может не только некое внешнее воздействие на исследуемую аппаратуру, но и некоторые критические элементы самой аппаратуры, использование которых на рассматриваемой стадии проектирования ограничено рядом причин. Так, например, при проектировании ОЭС, работающих с мощным лазерным источником, применение полунатурных методов особенно актуально и даже необходимо. Возможность использования такого источника на стадии отладки алгоритма управления системой практически всегда ограничена. Безопасность персонала, высокое энергопотребление, ограниченный ресурс работы элементов оптических систем (ОС), преобразующих излучение лазера, -вот основные объективные причины, которые заставляют разработчика обратиться к моделированию воздействия излучения мощного лазера на систему.

Итак, особенностью полунатурных методов моделирования является возможность подробного исследования режимов работы системы. С помощью модели генератора внешнего управляющего воздействия и физической модели критического элемента эти режимы можно исследовать во всем диапазоне возможных изменений части параметров внешнего воздействия, что не всегда достигается при проведении натурных экспериментов. Кроме того, именно полунатурное моделирование позволяет исключить неопределенность, проявляющуюся при имитационном моделировании, в связи с невозможностью точного математического описания работы системы [2-4].

Такое направление использования методов полунатурного моделирования является достаточно традиционным. Интересным и перспективным направлением является их использование уже на стадии формирования структурной и функциональной схем высокоточных лазерных ОЭС. Это направление представляется оригинальным именно при проектировании сложных систем, использующих мощ-

ные рабочие лазеры (РЛ). К ним относятся лазерные системы экологического мониторинга природной среды, лазерные технологические установки для резки, сварки, обработки поверхностей различных материалов, лазерные локационные станции, научно-исследовательские установки для изучения взаимодействия лазерного излучения с веществом и т.д. Несмотря на различное назначение, общим для этих систем является высокая мощность входящего в их состав РЛ. Уже сам по себе этот факт позволяет рассматривать РЛ как критический элемент системы.

При синтезе структурной и функциональной схем аппаратуры следует обеспечить решение главной задачи каждой из приведенных выше лазерных систем, а именно: формирование излучения РЛ с заданной пространственной структурой и в заданных координатах пространства. Эту задачу можно рассматривать как задачу первого уровня, которая определяется назначением разрабатываемой системы.

Вместе с тем для ее обеспечения, как правило, необходимо решить ряд дополнительных, или вспомогательных задач. Это задачи второго уровня. Они могут быть связаны с юстировками, калибровками системы, проведением профилактических работ и т.д. Для некоторых систем такие задачи решаются с использованием дополнительной аппаратуры. Но для ряда систем они должны решаться в процессе работы системы, и, более того, их решение обеспечивает качество решения основной задачи, т. е. задачи первого уровня.

В том случае, если для решения задачи второго уровня должен быть использован критический элемент системы, возникает объективная необходимость включения в функциональную схему его полунатурной модели. Наиболее характерным примером такой ситуации являются системы современных высокоточных лазерных локационных станций (ЛЛС), предназначенные для передачи энергии лазерного излучения на значительные расстояния. К таким системам предъявляются высокие требования по точности наведения оси диаграммы направленности лазерного излучения на исследуемый объект. Погрешности наведения лазерного пучка на объект, а также погрешности взаимной выставки осей каналов ЛЛС должны составлять единицы угловых секунд.

Известным методом обеспечения соосности каналов многоканальных оптических систем является использование систем автоюстировки [5].

Задача системы автоюстировки - измерение и отработка в автоматическом режиме углового рассогласования между осью диаграммы направленности излучения РЛ, сформированного передающим каналом ЛЛС, и осью приемного канала системы.

Эта задача наилучшим образом может быть решена прямыми измерениями. Для этого часть излучения РЛ, несущего информацию о

пространственном положении оси его диаграммы направленности, должна быть направлена с выхода передающего канала в приемный канал, где тем или иным образом и будет измерено угловое рассогласование. Однако попытки реализации таких измерений связаны со значительными техническими проблемами, обусловленными высокой мощностью излучения РЛ, ИК-диапазоном его работы, габаритами системы отвода, адекватностью регистрируемой информации о пространственном положении оси диаграммы направленности излучения РЛ, частотным режимом его работы и т. д.

Все это говорит о том, что попытки использования излучения РЛ для построения систем автоюстировки приводят к значительным проблемам технологического, конструктивного и схемного уровней, при этом задача автоюстировки в полном объеме не может быть решена.

Именно в этом случае использование методов полунатурного моделирования позволяет успешно решить задачу автоюстировки. Принцип такого подхода для рассматриваемой системы заключается в следующем. Система дополняется полунатурной моделью РЛ - дополнительным лазерным излучателем - маркерным источником (МИ). Угловые направления осей диаграмм направленности излучения МИ и РЛ должны совпадать с высокой точностью. Все остальные характеристики МИ (длина волны излучения, пространственные и энергетические характеристики, частотный режим генерации) определяются разработчиком в целях обеспечения условий уверенной работы системы автоюстировки. Пучок излучения МИ будет являться в системе репером пространственного положения оси диаграммы направленности излучения РЛ, обеспечивая:

• требуемый частотный режим работы системы;

• выбор длины волны излучения МИ, удобный для эксплуатации;

• использование источника с мощностью излучения, не вызывающей проблем при проектировании и эксплуатации системы и т.д.

Этот принцип использования методов полунатурного моделирования на ранних стадиях проектирования систем имеет общий характер. На рис. 2 приведена структурная схема системы, построенной с использованием полунатурной модели ее критического элемента.

Вводимая в рассматриваемом случае модель должна иметь некоторые параметры {а1, а2, а3, ..., ар, ..., аМ}. Часть этих параметров

{а1, ...,ар-1} должна соответствовать значению параметров

{А1, ..., Ар-1} критического элемента, а другие параметры {ар,..., аМ} -

ее собственные параметры, которые устанавливаются разработчиком для решения задачи второго и следующего уровней при проектировании.

Модельные соотношения имеют следующий вид:

а1 = А (| = 1,..., (р-1)); а, * А, (I = р,..., М). (2)

Рис. 2. Структурная схема системы с полунатурной моделью критического элемента

Введение в разрабатываемую систему полунатурной модели критического элемента осуществляется через устройство сопряжения. Это устройство решает две задачи. Во-первых, оно должно привести параметры [аь ..., ар-1} модели в соответствие с параметрами {А1, ..., Ар-1}

критического элемента. Во-вторых, оно должно связать и критический элемент, и его полунатурную модель с остальной частью проектируемой системы.

И, наконец, необходимо отметить, что если в системе присутствует критический элемент, то при проведении полунатурного моделирования системы в целях отладки алгоритмов управления и обработки данных именно его необходимо заменить физической моделью, что отмечалось выше. На рис. 3 приведена структурная схема системы, построенной и с использованием методов полунатурного моделирования ее критического элемента, и с моделированием его воздействия непосредственно на систему.

Таким образом, методы полунатурного моделирования при проектировании сложных систем могут быть использованы:

• при разработке структурной и функциональной схем системы -с целью обеспечить решения задач второго и т.д. уровней;

• на заключительных стадиях проектирования системы, при создании комплексов экспериментальной аппаратуры - с целью отладить алгоритмы обработки сигналов и управления системой.

Генератор внешнего управляющего воздействия

1

Полунатурная модель 2 критического элемента

{Д' (а1 )> Д' (а2 X Д' (¿О • • •»

А' (а А А' ....А'}

т-1 \ т-1 т N У

Мобелъные соотношения: I

Д' = Д; (/= 1...(/и-1)); Д.' * Д; (г =т...Щ.

1

Устройство сопряжения

_1 i_

Система вывода и отображения информации 4— Исследуемая аппаратура

Рис. 3. Структурная схема полунатурной модели исследуемой системы с полунатурной моделью критического элемента

Эффективность использования методов определяется точностью выполнения модельных соотношений (1) и (2).

Рассмотрим реализацию схемы по рис. 3 на примере проектирования высокоточной ЛЛС с системой автоюстировки осей приемопередающих каналов. Функциональная схема такой ЛЛС представлена на рис. 4. Пучок излучения РЛ7 может иметь рабочую длину волны в среднем (3.. .5 мкм) или дальнем (8.. .14 мкм) ИК-диапазоне спектра. Сечение его пучка имеет форму кольца с внутренним Д^ и внешним диаметрами. С помощью системы управляемых зеркал 2 излучение РЛ

Рис. 4. Функциональная схема лазерной локационной станции с системой автоюстировки

направляется в формирующий телескоп 3 передающего канала. Приемный канал ЛЛС включает приемный объектив 4 и матричное фотоприемное устройство (ФПУ) 5. Формирующий телескоп передающего канала совместно с приемным каналом установлен в опорно-поворотном устройстве 6.

Для обеспечения режима автоюстировки в функциональную схему ЛЛС включена полунатурная модель РЛ - маркерный источник 7. Его излучение преобразуется формирующей оптической системой (ОС) 8, проходит дефлектор 9 и вводится в ОС передающего канала ЛЛС с помощью пентапризмы 10. Пучок излучения МИ рационально вводить по оси передающего канала, пользуясь кольцевой формой сечения пучка РЛ.

Устройство сопряжения должно обеспечить выполнение модельного соотношения (2) (см. рис.3). Для разрабатываемой системы его можно сформулировать следующим образом: направляющие косинусы оси диаграмм направленности пучков излучения РЛ (6х РЛ; 0¥ рл; 6 рл ) и

МИ (&хми; 6 ми; 6г ми ) должны быть равны, т.е.

6хрл =6хми ; 6у рл =6у ми ; рл =6г ми . (3)

Остальные параметры МИ - рабочая длина волны, мощность излучения, диаметр сечения пучка, режим генерации излучения и т. д. -определяются разработчиком, исходя из требований к формированию оптической схемы системы автоюстировки. Рабочую длину волны рационально выбрать в видимом диапазоне спектра. Мощность излучения составляет несколько милливатт. Диаметр сечения пучка определяется из оптимальной компоновки системы и в зависимости от значений Дш;п и Дтах. Режим генерации - непрерывный или квазинепрерывный, с частотой генерации несколько килогерц, что гарантированно обеспечит требуемый частотный диапазон работы системы автоюстировки.

Устройство сопряжения может быть выполнено на основе плоскопараллельной пластины или дифракционного оптического элемента [6]. В данном случае рассматривается плоскопараллельная пластина 11, отводящая незначительную часть излучения РЛ и МИ в устройство союстировки. Отведенное излучение РЛ направляется в зеркальный объектив 12, 13 и после светоделителя 15 регистрируется на матричном ИК ФПУ 16, установленном в фокальной плоскости зеркального объектива. Отведенное излучение МИ через ромб-призму 14 направляется в тот же зеркальный объектив, проходит светоделитель и регистрируется на матричном ФПУ 17 видимого диапазона спектра, также установленном в фокальной плоскости зеркального объектива.

Микропроцессорная система 18 обеспечивает измерение угловых координат зарегистрированных пятен излучения РЛ и МИ, определяет их угловое рассогласование и формирует управляющий сигнал на дефлектор, который и отрабатывает измеренное рассогласование.

Пучок излучения МИ после прохождения плоскопараллельной пластины последовательно проходит вместе с пучком РЛ одни и те же оптические компоненты передающего канала. На выходе формирующего телескопа передающего канала пучок излучения МИ распространяется параллельно с пучком излучения РЛ.

С выхода формирующего телескопа пучок излучения МИ с помощью призменного мостика 19 направляется в приемный канал ЛЛС. Призменный мостик должен отражать падающий на него пучок излучение МИ точно в обратном направлении. Матрица МПМ его действия должна иметь следующий вид:

м пм =

М 0 0 ^ 0 -10 0 0 -1

Такой матрицей отражения описывается действие идеального уголкового отражателя [7] или уголкового отражателя с дополнительными ромб-призмами, как это показано на рис. 4.

В НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана разработано устройство союстировки осей пучков излучения на основе твердотельного лазера в качестве МИ, с рабочей длиной волны 0,53 мкм, единого зеркального объектива, матричных фотоприемников видимого и ИК-диапазонов спектра, а также высокоточного акустооптического дефлектора. Разработан экспериментальный стенд полунатурного моделирования режимов его работы для отладки алгоритмов обработки информации. Стенд разработан в соответствии со структурной схемой (рис. 3). РЛ заменен его полунатурной моделью 2, а моделирование углового положения оси диаграммы направленности его излучения осуществляется системой ввода углового возмущения, управляемой компьютером. Функциональная схема установки приведена на рис. 5.

Моделируемая часть системы включает полунатурную модель 2 РЛ, которой является Не-Ые лазер типа ЛГ-118, с рабочей длиной волны 3,39 мкм, лежащей в среднем ИК-диапазоне спектра. ОС сопряжения обеспечивает выполнение модельных соотношений (1). Для разработанного стенда их можно сформулировать следующим образом: диаметры сечения пучка РЛ и его полунатурной модели должны быть равны, диапазоны возможных значений направляющих косинусов оси диаграмм направленности пучков излучения РЛ

(АОх рл ; Щ РЛ' РЛ) и его полунатурной модели 2 (АОх ПМ 2;

АО у ПМ 2; АОг ПМ 2) также должны быть равны, т.е.

АОХ РЛ =АОХ ПМ 2; АОУ РЛ =ОУ ПМ2; АО1 РЛ =О1 ПМ2 . (4)

Рис. 5. Функциональная схема экспериментальной установки для полунатурного моделирования режимов работы системы автоюстировки

Генератор внешнего управляющего воздействия включает управляемый программой с персонального компьютера шаговый привод, который, в свою очередь, управляет поворотными зеркалами. Излучение направляется на ОС сопряжения - зеркальный телескоп - со-осно излучению МИ. Часть его отражается на плоскопараллельной пластине в зеркальный объектив устройства союстировки, а основная часть проходит эту пластину и регистрируется на оптико-электронном координаторе системы вывода и отображения информации. Персональный компьютер протоколирует результаты работы всех трех координаторов и выводит изображения взаимного положения пучков излучения на мониторы.

Внешний вид экспериментального стенда показан на рис. 6, полунатурная модель 2 РЛ с ОС сопряжения - на рис. 7. В качестве устройства ввода углового возмущения в оптический канал форми-

рования излучения на экспериментальном стенде использованы два плоских зеркала, каждое из которых установлено на валу своего шагового двигателя во взаимно ортогональных плоскостях. Эта система установлена на выходе лазера.

Рис. 6. Внешний вид экспериментального стенда

Рис. 7. Полунатурная модель 2 рабочего лазера с оптической системой сопряжения

Шаговые двигатели управляются с персонального компьютера. Разработанное программное обеспечение позволяет вводить угловое возмущение как случайным образом, так и по заданной траектории в пределах заданных углов отклонения.

Техническая характеристика экспериментального стенда для полунатурного моделирования режимов работы

системы автоюстировки

Рабочая длина волны излучения полунатурной модели

рабочего лазера, мкм .................................................................. 0,63; 1,15; 3,39

Диаметры кольцевого сечения пучка излучения модели

рабочего лазера, Дтах, Дт;п, мм..........................................................150; 60

Видимое увеличение телескопа оптической системы

сопряжения, Г х ........................................................................................... 1/60

Максимальное угловое смещение, угл. мин ....................................................4

Шаг по угловому смещению оси пучка излучения модели

рабочего лазера, угл. с ....................................................................................... 1

Максимальная частота ввода углового возмущения, кГц .............................. 1

Система индикации включает три монитора (монитор координатора МИ и монитор координатора РЛ, монитор координатора системы измерения рассогласования (рис. 5)), на которые выводится изображение зарегистрированных на устройстве сопряжения пятен излучения МИ и РЛ. На рис. 8 приведен вид имитационной картины процесса союстировки осей. На информационной строке внешнего дисплея выводятся текущие параметры: (вхми; ву ми), (вхпм2; Щ пм2),

(АвХПМ2 = вхПМ2 -вХ МИ; Аву =ву ПМ2 -вУ МИ ) .

Рис. 8. Информационная картина динамического процесса союстировки

На стенде проведен цикл экспериментальных исследований сред-неквадратической погрешности измерений угловых координат зарегистрированных пятен излучения МИ и модели РЛ, а также средне-квадратической погрешности отработки углового рассогласования осей МИ и модели РЛ. Отметим, что именно это рассогласование определяет точность выполнения модельных соотношений (2) и (4).

По результатам проведенных исследований среднеквадратиче-ская погрешность измерения угловых координат энергетического центра пятна излучения РЛ не превышала 1" при угловом размере одного элемента матричного ИК-фотоприемника, равном 9''. Средне-квадратическая погрешность измерения угловых координат энергетического центра пятна излучения МИ не превышала 0,1'' при угловом размере одного элемента ПЗС-матрицы 1''.

В таблице приведены результаты экспериментальных исследований процесса союстировки осей пучков излучения полунатурной модели РЛ и МИ.

Таблица

Результаты экспериментальных исследований процесса союстировки осей пучков излучения модели рабочего лазера и маркерного источника, отн. ед.

Xми ^ми Xрл ^рл Управляющий сигнал Х Управляющий сигнал У

399 272 399 272 0 0

400 272 399 272 2 0

399 272 400 272 -2 0

400 273 399 272 2 -2

399 273 400 272 -2 -2

399 272 399 271 0 -2

399 272 399 272 0 0

400 272 399 271 2 -2

400 273 399 272 2 -2

399 273 400 271 -2 -3

Угловой размер одного элемента координатной сетки в кадре эксперимента составлял 2,34"х2,34". Среднеквадратическая погрешность союстировки осей пучков составила 2,966". С учетом увеличения выходного телескопа передающего канала ЛЛС (Г = 1/6 х) на выходе системы этой погрешности соответствует 0,5". Следовательно, с помощью разработанной аппаратуры модельные соотношения (2) и (4) выполняются с секундной погрешностью, что обеспечивает высококачественное решение задачи автоюстировки системы.

Таким образом, использование при проектировании сложных лазерных оптико-электронных систем методов полунатурного модели-

рования эффективно не только при отладке алгоритмов обработки сигналов и при экспериментальном исследовании ее характеристик во всем диапазоне изменения параметров внешнего воздействия, но также и при разработке функциональной схемы системы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев К. К., Служивый М. Н. Математическое моделирование систем связи. Ульяновск : УлГТУ, 2008. 170 с.

2. Введение в математическое моделирование / Под ред. П.В. Трусова. М.: Логос, 2004. 440 с.

3. Зарубин В. С. Математическое моделирование в технике / Под ред. В.С. Зарубина, А.П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 496 с. (Сер. Математика в техническом университете. Вып. ХХ[, заключительный).

4. Строгалев В. П., Толкачева И. О. Имитационное моделирование. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 280 с.

5. Использование методов полунатурного моделирования для исследования характеристик системы автоюстировки // Н.В. Барышников В.В. Карачунский, В.И. Козинцев, А. С. Румянцев, Д.В. Худяков. Тезисы докладов IV НТК «Радиооптические технологии в приборостроении». Сочи, 2006. С. 105 - 108.

6. Барышников Н. В., Денисов Д. Г., Животовский И. В. Система измерения углового рассогласования осей рабочего лазера и маркерного источника на основе дифракционных оптических элементов // technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2011. Вып. 8. URL http://technomag.edu.ru/doc/166411.html (дата обращения 05.10.11).

7. Барышников Н. В. Разработка и исследование устройств параллельного переноса пучка излучения для систем автоюстировки каналов лазерных локационных станций // Измерительная техника. 2011. № 4. С. 65-70.

Статья поступила в редакцию 24.11.2011