Разработка и исследование оптико-электронных систем кругового обзора с дискретным фасеточным угловым полем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Шатова, Екатерина Алексеевна

• Шатова, Екатерина Алексеевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шатова, Екатерина Алексеевна

Введение.

Глава 1. Принципы построения панорамных оптико-электронных систем кругового обзора.

1.1 Системы с механическим сканированием.

1.2Системы на основе панорамных объективов.

1.2.1 Системы с зеркально-линзовыми объективами.

1.2.2 Объективы типа/¿^/г-еуе.

1.3 Системы с дискретным (фасеточным) угловым полем.

1.3.1 Макрооптические системы.

1.3.2 Микрооптические системы.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Основы теории фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора.

2.1 Преобразование сигналов в энергетических фасеточных системах.

2.2 Преобразование сигналов в информационных фасеточных системах.

2.3 Варианты схем построения энергетических и информационных фасеточных панорамных систем кругового обзора.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Расчет, макетирование и экспериментальные исследования фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора.

3.1 Энергетический расчет

3.1.1 Энергетический расчет фасеточных систем обнаружения (энергетических систем).

3.1.2 Энергетический расчет фасеточных информационных систем.

3.2 Расчет конструктивных параметров линзовых фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора.

3.2.1 Габаритный расчет.

3.2.2 Аберрационный анализ секторных объективов.

3.3 Расчет конструктивных параметров зеркальных фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора.

3.3.1 Габаритный расчет зеркальных систем.

3.3.2 Аберрационный анализ зеркальных систем.

3.4 Макетирование и экспериментальные исследования фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора.

3.4.1 Макетирование клинового секторного объектива.

3.4.2 Исследования макета ОЭС «Панорама».

3.4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований.

Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование оптико-электронных систем кругового обзора с дискретным фасеточным угловым полем»

Расширение углового поля оптических и оптико-электронных систем — задача, постоянно находящаяся в центре внимания разработчиков таких систем. Усилия в этом направлении привели к созданию в середине 20-го века высококачественных широкоугольных и сверхширокоугольных объективов с угловым полем, достигающим 120°.

Актуальной по сей день остается задача обзора пространства в полной сфере, полусфере или в сравнительно широкой кольцевой зоне, то есть в пределах азимутального угла 360°. Эта задача возникает применительно к системам видеонаблюдения, обнаружения угроз, целеуказания, слежения, ориентации в пространстве, при контроле полостей и в ряде других случаев. Такие системы будем называть панорамными системами кругового обзора. В построении таких систем определились следующие основные направления:

- сканирующие панорамные системы кругового обзора (системы с механическим сканированием)

- панорамные системы кругового обзора с полными или круговыми объективами типа «рыбий глаз» панорамные системы кругового обзора на основе зеркально-линзовых объективов типа PAL (panoramic annular lens)

- панорамные системы кругового обзора с составным (фасеточным) угловым полем.

Последний тип панорамных систем кругового обзора (ПСКО) наименее исследован. Только в последние несколько лет появились сведения о разработках и практическом применении фасеточных систем, отличающихся разнообразием способов технической реализации. Одним из таких способов является построение фасеточных ПСКО на основе клиновых секторных объективов, предложенный в МИИГАиК [17]. Однако, в настоящее время, отсутствует методика расчета фасеточных ПСКО, не сформулированы практические рекомендации по их проектированию, не определены возможные технические параметры и характеристики таких систем. В связи с этим, тема диссертации, посвященной теоретическим и практическим вопросам разработки ПСКО с дискретным (фасеточным) угловым полем представляется актуальной.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулирован и описан новый принцип пространственной выборки поля излучения с перекрытием угловых полей каналов фасеточных оптико-электронных систем, позволяющий увеличить пространственное и энергетическое разрешение таких систем.

2. Разработаны алгоритмы суммирования сигналов смежных каналов ФПОЭСКО, позволяющие увеличить эффективную площадь входного зрачка оптических каналов системы.

3. Предложены оригинальные схемотехнические решения фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора (ФПОЭСКО), реализующие пространственную выборку с перекрытием угловых полей и алгоритмами суммирования сигналов при выборке.

4. Разработана методика расчета ФПОЭСКО, позволяющая выбрать схемотехнический вариант построения системы и определить ее конструктивные параметры.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Методика расчета ФПОЭСКО доведена до практических рекомендаций по проектированию системы.

2. Определены области возможных и допустимых значений входных и выходных параметров ФПОЭСКО, предназначенных для обнаружения импульсных целей.

3. Показана техническая реализуемость разработанной схемы ФПОЭСКО с клиновыми секторами, предназначенной для обнаружения импульсных целей.

Достоверность исследований подтверждается макетированием оптической системы, доказывающим правильность методики расчета, совпадением результатов эксперимента по исследованию распределения чувствительности угловых полей (апертурных характеристик фасеток) с расчетными данными, соответствием полученных в диссертации теоретических оценок возможностей достижения параметров систем данного типа с опубликованными в зарубежных изданиях данными по габаритам, угловым полям и пространственному разрешению подобных систем.

Цели и задачи исследований

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное обоснование возможности , и перспективности создания панорамных оптико-электронных систем кругового обзора с составным (фасеточным) угловым полем с заданными параметрами и характеристиками. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: ;

1. Определить области применения ПСКО различного типа, классифицировать их и определить место фасеточных систем в этой классификации.

2. Разработать теорию преобразования сигналов в фасеточных ПОСКО

3. Разработать схемотехнические решения фасеточных панорамных систем кругового обзора, реализуемых на современном технологическом уровне применительно к задаче обнаружения импульсных целей.

4. Разработать методику расчета ФПОЭСКО

5. Подтвердить правильность разработанной методики расчета макетированием и проведением экспериментальных исследований макета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Фасеточные панорамные оптико-электронные системы кругового обзора с секторными объективами перспективны для решения задач обнаружения и определения углового положения точечных импульсных целей.

2. Разработанный метод описания преобразований сигналов в фасеточных оптико-электронных системах позволяет указать рациональные пути построения таких систем, а именно использования перекрытия угловых полей смежных каналов, включение в конструкцию дополнительного кольца секторов, суммирование отсчетов смежных каналов.

3. Разработанная методика расчета ФПОЭСКО может явиться научно- методической основой для проектирования систем такого типа.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Шатова, Екатерина Алексеевна

Выводы по главе 3

• Техническая идея построения панорамных фасеточных макрооптических оптико-электронных систем конструктивно и технологически реализуема.

• Разработанная методика расчета параметров ФПОЭС позволяет проводить расчет таких систем, включающий энергетический расчет, определение требований к качеству изображения, размеров чувствительной площадки приемника излучения, габаритных параметров кольца объективов и выбора оптического материала.

• Теоретические выводы в отношении преобразований сигналов в фасеточных оптико-электронных системах подтверждены экспериментально соответствием расчетной апертурной характеристики фасетки с полученной в результате измерений апертурной характеристикой.

Заключение

Результаты выполнения диссертационной работы позволяют заключить следующее:

1. Панорамные оптико-электронные системы кругового обзора (фасеточные панорамные оптико-электронные системы) перспективны при создании быстродействующих комплексов, предназначенных для обнаружения импульсных целей, измерения азимутальных координат целей, обнаружения подсветки лазерным излучением.

2. В фасеточных оптико-электронных системах возможна реализация пространственной выборки сигнала с перекрытием отсчетов. Такая выборка позволяет повысить эффективность фильтрации сигнала, улучшить энергетическое и пространственное разрешение системы.

3. Предложенные схемотехнические решения фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора позволяют реализовать выборку с пространственным перекрытием отсчетов при одновременном использовании алгоритмов суммирования сигналов, что увеличивает эффективную площадь входного зрачка фасетки.

4. Полученные энергетические уравнения фасеточных оптико-электронных систем позволяет определить условия, обеспечивающие работоспособность системы в соответствии с заданными энергетическими критериями.

5. Разработанная методика расчета фасеточных панорамных оптико-электронных систем пригодна для анализа исходных данных, определения возможности создания ФПОЭС с заданными параметрами, позволяет рассчитать рациональные конструктивные параметры таких систем.

6. Теоретические выводы, полученные в диссертации, и методика расчета ФПОЭСКО экспериментально подтверждены, предлагаемые схемотехнические решения конструктивно реализуемы. Результаты диссертации могут быть использованы при выполнении опытно-конструкторских работ по созданию макрооптических ФПОЭСКО.

Заявленная цель диссертационной работы, таким образом, представляется достигнутой, а поставленная задача выполненной.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шатова, Екатерина Алексеевна, 2010 год

1. Аблеков В.К., Зубков П.И. Оптическая и оптоэлектронная обработка информации. - М.: Машиностроение, 1976.-254с.

2. Аристархов Б. В. "Системы безопасности"№ 4, 2005

3. Гончаренко E.H. Телескопическая система из двух конических отображающих поверхностей.-ОМП, 1972.№1

4. Запрягаева JI.A. Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. —М.: Логос, 2000.- 584 с.

5. Здор С.Б., Широков В.Б. « Оптический поиск и распознование». -М.: Наука, 1973.-28с.

6. Канасевич Э.Р. Анализ временных последовательностей в геофизике. -М.: Недра, 1985.-300с.

7. Коротаев В.В., Мусяков В.Л. Энергетический расчет ОЭП.- СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2006, 44с.

8. Креопалова Г.В., Пуряев Д.Т. Исследование и контроль оптических систем.- М.: Машиностроение, 1978.-224с.

9. Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т. Практика оптической измерительной лаборатории.-М.: Машиностроение, 1974.-332с.

10. Куртов A.B. Панорамный объектив «Сакура». Изв. вузов, "Приборостроение". 2000. №3 С. 129-140.

11. Материалы МФПГ «Оборонительные системы», 5-ая Международная выставка вооружений «Айдекс 2001»

12. Оптико-электронное устройство кругового обзора. Патент RU №2321016, кл.7 . G01S3/78 публ. 27.03.2008

13. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования.- М.: Недра, 1995.- 315 с.

14. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. — Л.:1. Машиностроение, 1969.

15. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками.- М.: Машиностроение, 1992.-128.

16. Соломатин В.А., Шатова Е.А., Методика расчета секторного объектива.// Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». — 2008, №5.- С. 63-65.

17. Соломатин В.А., Шатова Е.А., Объективы с пространственной дискретизацией поля обзора.//Сборник докладов международного оптического конгресса «Оптика XXI век».- 2008.-С. 41-45.

18. Суханов А.Г. Панорамная аэрофотография. -М.: Наука,1985, 88с.

19. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов.- М.: Радио и связь, 1983 -320с.

20. Турыгин И.А. Прикладная оптика,- М.: Машиностроение, 1966.-432с.

21. Устройство для обнаружения и измерения азимутальных координат светоизлучающих объектов. Патент 1Ш №2384820,001С 3/08, публ. 20.03.2010/Соломатин В.А., Шатова Е.А.

22. Устройство для определения азимута светоизлучающих объектов. Авт.св. СССР № 4689468/22 от 05.05.89/ Соломатин В.А. и др.

23. Широкопольная инфракрасная система кругового обзора». Патент БШ №2189049, кл. 7 0018 3/78, публ. 10.09.2002 г.

24. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. -М.: Логос, 2000.

25. Buchele et at. U.S. Patent Documents 359/725 2.638.033 05.1953

26. ENDOSCOPIC INSPECTION USING A PANORAMIC ANNULAR LENS UAH Final Report for NASA Grant No. NAG8-159,1991

27. Gilbert J.A., Matthys D.R., Lindner C.M. Endoscopes inspection and measurement // SPIE Optical eng. 1993. N1.

28. Greguss Pal et at. U.S. Patent Documents 359/725 4.566.763 01.1986.

29. Greguss, Pal; Kertesz, Attila; Kertesz, Viktor, PALIMADAR: a PAL-optic-based imaging module for all-round data acquisition and recording. SPIE-Optical engineering. 01/1993.

30. Ian Powell et at. U.S. Patent Documents 359/725 5.473.474 05.1995

31. Matthys, Donald R.; Gilbert, John A.; Greguss, Pal, Endoscopic measurement using radial metrology with digital correlation. SPIE-Optical engineering. 10/1991

32. Matthys, Donald R.; Gilbert, John A.; Puliparambil, Joseph T., Endoscopes inspection using a panoramic annular lens. SPIE-Optical engineering. 12/1991

33. Stedham M.A. The Panoramic Annular Lens Attitude Determination System (PALADS)// SPIE. 1995. Vol.2466.

34. The Panoramic Annular Lens Attitude Determination System ( PALADS), SPIE Vol.2466, 1998

35. Конструктивные параметры секторной линзы для различных марок стекол и одних значений площади входного зрачка Анх=2см и азимутального угла ¿1бГазимут= 3°

36. Марка стекла Показатель преломления п Фокусное расстояние секторной линзы /' (мм) Радиус кривизны первой поверхности г (мм) Внешний диаметр кольца объективов Dj (мм)

37. К01 1,3767 76,5252 20,9403 306

38. ЛК7 1,4718 70,7045 22,6656 282

39. ТК2 1,5590 66,8505 23,9707 265

40. ТФ10 1,7715 60,6586 26,4165 242

41. СТФ2 1,8959 58,2365 27,5192 232

42. СТФЗ 2,1003 55,3104 28,9760 221

43. ИКС24 2,4397 52,1121 30,7522 208иксзо 2,6043 51,0045 31,4201 204

44. Краевая функция (ERF) и функция рассеяния линии (LSF), полученные с помощью программы ZEMAX, для секторной линзымакета «Панорама»

45. Geometric Edge Spread Surface: Image Wavelength: 0.900000 um Units are jim.1. Field: 1.40, 6.00 deg

46. Tangential ERF slope from . 1 to .9: 0.00090

47. Sagittal ERF slope from. 1 to .9: 0.00232

48. Аберрационный анализ секторной линзы с параметрами: Авх=2см , Д &гатлут= 3°, Г/ =31,4201мм, г2 =оо, ¿/=51,0мм, /'эф=19,5886 мм.1. Трассировка лучей

49. GEOMETRIC LINE FIND EDGE SPRERD1.NS HRS NO TITLE.1. MON TUL 12 20101. FIELD: I.50, 5.80 DEG1. WRYELENGTH: POLYCHROMATIC

50. SURFHCEl IMHGE 38 3 3-22 A 2 Ш1. CONFIGURATION 1 DF 11. WHVEFRONT FUNCTION1.NS HAS NO TITLE.1. NON TLL 12 20101,2000 /m AT B.00, 0.B0 DEG

51. PEflC TO UPLLEV = 213 4913 URUES, RMS = ¿3 .2074 U1RUES . SURFACE: IMHGE

52. EXIT HJPIL DIFME7ER: 3.6000E»B01 MILLIMETERS3B. 3 3-22 Fl 2.ZNX1. CONFIGURRTION 1 OF 11. Карта волнового фронта1. STO1. DISTORTION1. SEIDEL DIRGRRM

53. NS HAS NO TITLE. MON JUL 12 2010 WRVELENGTH: 1,2000 pa, MAXIMUM ABERRATION SCALE IS 1.26942 MILLIMETERS.30 3 3-22 ft 2.ZMX CONFIGURRTION 1 OF 11. Диаграмма Зейделяи ас ш1.ш т. н0 Q S О1. Ш 1 Е U W

54. RPERTURE DIAMETERi 1Ч.32751. X RAYS THROUGH50.94*1. FOOTPRINT DIRGRRM

55. NS HAS NO TITLE. MON TUL 12 2010 SURFRCE 3!

56. RAY X MIN = -0,1013 RAY X МЯХ = 0.5903 RAY Y MIN = -0.ЗЬ79 RRY Y MAX = 7.1648 MAX RADIUS= 7.1798 WAVELENGTH= 1.200030 3 3-22 H 2.ZMX1. CONFIGURATION 1 OF 1m2: