Способ компенсации влияния фоновых условий на работоспособность оптико-электронных приборов при испытаниях на боковую засветку
METHOD FOR COMPENSATION OF BACKGROUND CONDITIONS INFLUENCE ON EFFICIENCY OF OPTOELECTRONIC DEVICES DURING SIDE ILLUMINATION TESTS

Заявленное изобретение относится к области измерительной и оптико-электронной техники, а более конкретно к способам проведения испытаний оптико-электронных приборов (ОЭП) и, в частности, звездных датчиков (ЗД) на помехозащищенность от бокового излучения, и предназначено для компенсации паразитного фонового сигнала на выходе фотоприемного устройства (ФПУ), который возникает при боковой засветке (БЗ) входного зрачка объектива с блендой ОЭП прямым и отраженным излучением от источников, находящихся за пределами поля зрения указанного объектива.
Из уровня техники известны пути совершенствования характеристик ОЭП, предназначенных для работы в условиях космического пространства, например, введение защиты чувствительных элементов прибора от попадания на них боковых засветок от Солнца, Земли, Луны и элементов конструкции (ЭК) космического аппарата (КА), с помощью бленды (см. фиг. 1). Ослабленный блендой и объективом ОЭП фоновый поток от паразитных источников излучения, расположенных за пределами поля зрения ОЭП, формирует на фоточувствительной поверхности (ФЧП) матричного фотоприемного устройства (ФПУ) распределение фонового сигнала, типичная форма которого показана на фиг. 2.
Основным направлением совершенствования характеристик ОЭП является совершенствование конструкции защитных бленд с целью повышения коэффициента подавления падающего паразитного потока.
В статье «Оптимизация конструкции светозащитной бленды приборов звездной ориентации» авторов О.В. Филиппова и др. (см. журнал «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 2014, т. 11, №2, стр. 165-174). В статье описаны принципы построения светозащитной бленды для приборов ориентации, проанализированы доступные способы улучшения подавления боковой засветки, раскрыты пути определения допустимого уровня боковой засветки.
Основным недостатком бленды являются ее громоздкие габаритные параметры, приводящие к увеличению линейных размеров прибора ориентации, в то время как развитие ОЭП идет по пути уменьшения их массогабаритных характеристик.
Другим направлением совершенствования характеристик ОЭП при его разработке и изготовлении является проведение испытаний, наземной отработки и калибровки прибора с применением специализированных средств (имитаторов солнечного излучения, вакуумной камеры для создания вакуума (ВК) и стендового оборудования).
Известен стенд, разработанный в НЛП «ОПТЭКС» для измерения угловых координат (см. сборник трудов третьей Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов», проведенной в г. Таруса в период 10-13 сентября 2012 г. Институтом космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН), под редакцией Т.А. Аванесова, стр. 199-203).
Для работы ОЭП требуется высокая чувствительность приемного тракта, обеспечивающая регистрацию излучения как «слабых», так и более ярких звезд. Данная задача решается, в том числе, с помощью увеличения диаметра входного зрачка объектива, увеличения углового поля зрения ОЭП и повышения чувствительности ФПУ, что приводят также к увеличению чувствительности ОЭП к световым помехам от солнечного излучения и ЭК КА.
При этом способ, реализуемый вышеуказанным аналогом (стендом), не решает проблему проверки помехозащищенности ОЭП.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования распределения фоновых сигналов при наземных испытаниях ОЭП на боковую засветку солнечным излучением с использованием засветочного стенда, описанный в книге «Оптика приборов ориентации космических аппаратов», авт. А.Я. Гебгарт, М.П. Колосов, Москва, Университетская книга, 2017 г., стр. 90-94, и выбранный в качестве прототипа. Этот способ заключается в том, что внутри ВК устанавливают углоповоротный стол с посадочным местом для проверяемого ОЭП. Указанное посадочное место обеспечивает установку ОЭП таким образом, что центр входной диафрагмы его бленды совмещен с точкой пересечения визирной линии имитатора солнечного излучения и вертикальной осью вращения стола. Поэтому при повороте стола совместно с ОЭП входная диафрагма его бленды всегда будет засвечена имитатором. Угол между осью светового пучка от имитатора солнечного излучения и осью бленды ОЭП равен заданному углу засветки бленды. При этом световой поток от имитатора солнечного излучения ограничивают ирисовой диафрагмой, располагая ее перед входным защитным стеклом ВК, создают в камере вакуум, засвечивают плоскость входного зрачка бленды ОЭП потоком излучения солнечного имитатора, получают распределение освещенности на ФЧП ФПУ. Далее проводят экспозицию фонового потока излучения, обеспечивающую формирование на выходе фоточувствительных элементов (ФЧЭ) ФПУ электрических сигналов, пропорциональных распределению освещенности фонового сигнала на ФЧП, получаемого при засвечивании входного зрачка бленды ОЭП солнечным излучением, как прямым потоком от имитатора солнца, так и паразитным потоком, возникающим за счет переотражения от внутренних элементов конструкции ВК солнечного излучения, не прошедшего во входной зрачок бленды, а отраженного от его плоскости внутрь ВК на ее ЭК. Затем запоминают электрические сигналы, сформированные на выходах ФЧЭ, и используют их для оценки влияния фоновых условий на работоспособность ОЭП.
Недостатком данного технического решения является искажение формы распределения фонового излучения на ФЧП ФПУ за счет дополнительного паразитного фонового излучения от ЭК ВК, отсутствующего в условиях штатной эксплуатации ОЭП.
Задача изобретения направлена на создание неискаженной формы распределения фонового излучения по ФЧП ФПУ, решение которой обеспечивается компенсацией фоновой засветки от ЭК ВК при испытаниях ОЭП на боковую засветку имитационным солнечным излучением.
Указанная задача решается за счет того, что ОЭП устанавливают на поворотное устройство внутри вакуумной камеры таким образом, что угол между осью светового пучка от имитатора солнечного излучения и осью бленды ОЭП равен заданному углу засветки бленды, ограничивают световой поток от имитатора солнечного излучения ирисовой диафрагмой, располагая ее перед входным защитным стеклом вакуумной камеры, создают в камере вакуум, засвечивают плоскость входного зрачка бленды ОЭП излучением солнечного имитатора, получают распределение освещенности на поверхности ФЧЭ ФПУ ОЭП, проводят экспозицию светового фонового излучения, в результате которой происходит накопление в ФЧЭ электрических сигналов, пропорциональных распределению освещенности фонового сигнала, получаемого при засвечивании входного зрачка бленды ОЭП солнечным излучением имитатора, запоминают электрические сигналы, накопленные в ФЧЭ, и используют их для оценки влияния фоновых условий на работоспособность ОЭП, при этом после первой экспозиции проводят повторную экспозицию фонового сигнала, перед которой снаружи на защитном стекле вакуумной камеры размещают накладку, выполненную из оптически непрозрачного материала в виде черного эллипса (ЧЭ), размер большой оси которого равен диаметру входного зрачка бленды испытываемого ОЭП, а размер его малой оси равен проекции диаметра входного зрачка бленды на плоскость защитного стекла вакуумной камеры, обеспечивающую перекрытие солнечного потока имитатора, попадающего во входной зрачок бленды, запоминают электрические сигналы на выходе ФЧЭ ФПУ ОЭП, соответствующие фоновому сигналу повторной экспозиции, производят поэлементное вычитание из запомненных сигналов первой экспозиции сигналов второй экспозиции, запоминают полученные разностные сигналы и по ним определяют распределение фоновых сигналов в условиях штатной эксплуатации для указанных условий засветки, и используют их для оценки влияния фоновых условий на работоспособность ОЭП.
В данном изобретении способ характеризуется совокупностью признаков, выражающейся в наличии действий над материальным объектом - оптическим сигналом, с помощью материальных средств, таких как засветочный стенд, бленда и проверяемый прибор. В результате предлагаемого способа обеспечивается технический эффект -воспроизведение на ФЧП ФПУ фонового распределения, имеющего место при штатной эксплуатации ОЭП при боковой засветке солнечным излучением за счет компенсации влияния паразитных фоновых засветок от ЭК ВК на распределение фонового излучения по ФЧП ФПУ ОЭП при испытаниях на боковую засветку ОЭП, проводимых для оценки помехозащищенности ОЭП.
При эксплуатации ОЭП в условиях космического пространства одним из факторов, ухудшающих точностные параметры и характеристики обнаружения изображений «слабых» рабочих звезд, является паразитный фоновый сигнал на выходе ФПУ, возникающий при боковой засветке входного зрачка объектива ОЭП прямым солнечным излучением, отраженным от поверхности Земли, Луны и ЭК КА, находящихся за пределами поля зрения объектива ОЭП при положении Солнца в передней и задней полусферах, что показано на фиг. 3.
Для снижения паразитного фонового сигнала на выходе ФПУ, возникающего при боковой засветке входного зрачка объектива ОЭП источниками излучения, находящимися за пределами его поля зрения, применяют бленду, стыкуемую с корпусом объектива (см. фиг. 4). В результате получают сигнал, ослабленный блендой, трансформированный за счет влияния линзовых компонентов объектива и дополнительно ослабленный внутренней черненой поверхностью его корпуса.
Для пояснения сущности заявляемого изобретения приводится перечень чертежей с кратким изложением содержания каждой фигуры:
на фиг. 1 - показаны варианты помехового оптического излучения;
на фиг. 2 - дана типичная форма распределения фонового сигнала на ФЧП ФПУ;
на фиг. 3 - изображена боковая засветка входного зрачка бленды ОЭП источниками излучения, находящимися в задней полусфере;
на фиг. 4 - показана бленда, стыкуемая с корпусом объектива;
на фиг. 5 - приведены примеры распределения по ФЧП ФПУ фоновых сигналов (а - м) для различных углов БЗ и различных параметров бленд ОЭП, где
а, б - сигналы от локальных неоднородностей фонового сигнала;
в, г - сигналы, обусловленные отражениями от ЭК ВК;
д - к - сигналы, вызванные отражениями от ЭК оптического тракта объектива ОЭП;
л, м - сигналы, обусловленные параметрами внутренних диафрагм бленды;
на фиг. 6 - изображен засветочный стенд, где
1' - внутренняя поверхность ВК,
2' - иллюминатор ВК (защитное стекло),
3' - ирисовая диафрагма снаружи ВК,
4' - имитатор солнечного излучения,
5' - углоповоротный стол, на котором расположен кронштейн для крепления ОЭП,
6' - бленда текущего ОЭП, который испытывается на БЗ в ВК,
7' - оптическая ось светового пучка от солнечного имитатора,
8' - оптическая ось бленды текущего ОЭП;
на фиг. 7 - представлены внешний (сверху) и внутренний (снизу) виды ВК;
на фиг. 8 - показан общий вид бленды при комнатном освещении (слева) и вид торца бленды при солнечной засветке (справа);
на фиг. 9 - приведена ЭК ВК, видимые изнутри ВК: ирисовая диафрагма, бленда иллюминатора ВК, часть торцевой поверхности ближнего к бленде иллюминатора черного зеркала (ЧЗ);
на фиг. 10 - вид торца бленды (левое изображение) при солнечной засветке, закрытого черным защитным кольцом для снижения коэффициента отражения от торца бленды внутрь ВК, покрытого зеркально отражающей пленкой (СОТ), используемой для снижения нагрева конструкции бленды солнечным излучением при штатной эксплуатации, и способ размещения ЧЭ на внешней поверхности иллюминатора ВК (изображение справа);
на фиг. 11 - показан ход лучей фонового излучения, отраженного от ЭК ВК при отсутствии перед защитным стеклом ЧЭ, где
1ʺ - крышка ВК,
2ʺ - корпус ВК,
3ʺ - иллюминатор ВК,
4ʺ - световой пучок от солнечного имитатора,
5ʺ - черные зеркала, размещенные внутри ВК для ослабления паразитного фонового потока от ЭК ВК и ЭК бленды ОЭП,
6ʺ - черная бархатная ткань для ослабления паразитного фонового потока от ЭК ВК и ЭК бленды ОЭП,
7ʺ - диффузно рассеянный световой поток паразитного фонового потока от ЭК ВК и ЭК бленды ОЭП,
8ʺ - зеркально отраженный от входного торца бленды внутрь ВК солнечный световой поток при отсутствии черных защитных колец на торце бленды,
9ʺ - защитный торец бленды,
10ʺ - корпус бленды,
11ʺ - внутренние диафрагмы бленды,
12ʺ - первая линза объектива ОЭП,
13ʺ - световые пучки, отраженные от кромок внутренних диафрагм бленды на вход объектива ОЭП после однократного отражения,
14ʺ - световые пучки, отраженные от внутренних ЭК ВК (43, черного бархата),
15ʺ - световые пучки, отраженные от кромок внутренних диафрагм бленды на вход объектива ОЭП после двукратного отражения;
на фиг. 12 - показан ход лучей фонового излучения, отраженного от ЭК ВК при наличии перед защитным стеклом ЧЭ, где
16ʺ - черный эллипс (ЧЭ), расположенный на внешней поверхности иллюминатора ВК;
на фиг. 13 и 14 - приведены результаты обработки фонового сигнала текущих световых кадров (СВК), сделанных до и после размещения ЧЭ на внешней поверхности иллюминатора ВК;
Схема устройства, изображенного на фиг.6, реализует заявленный способ.
Испытуемый образец ОЭП 6' устанавливают на посадочное место углоповоротного устройства 5', размещенного в ВК 1' перед имитатором Солнца 4' так, что угол между осью светового потока от имитатора (визирной линии 7') и осью бленды ОЭП (визирной линии 8') равен заданному углу засветки бленды. Ограничивают световой поток от имитатора Солнца 4' ирисовой диафрагмой 3', расположенной перед входным защитным стеклом 2' ВК Г (изображения внутреннего устройства и внешнего вида ВК представлены на фиг. 7). Из ВК 1' производят откачку воздуха до создания необходимого уровня вакуума. При заданной величине освещенности от имитатора Солнца 4' на входной поверхности бленды (показанной на фиг. 8, 9) и для выбранного угла ее засветки проводят первую экспозицию светового фонового излучения (см. фиг. 11), фиксируют величины электрических сигналов на выходе ФПУ, пропорциональных распределению освещенности фонового сигнала на светочувствительной поверхности ФЧЭ ФПУ (см. фиг. 5), и запоминают их. Затем проводят вторую экспозицию фонового сигнала (см. фиг. 12), перед которой на внешнюю поверхность защитного стекла 2' ВК 1' устанавливают накладку в виде ЧЭ, изготавливаемую из черного непрозрачного материала, у которого размер большой оси равен диаметру входного зрачка бленды исследуемого ОЭП, а размер малой оси равен размеру проекции диаметра входного зрачка бленды на плоскость защитного стекла 2' ВК 1'. Благодаря использованию ЧЭ с указанными соотношениями размеров при второй экспозиции фонового сигнала обеспечивается перекрытие солнечного потока, попадающего на входной зрачок бленды. Далее фиксируют величины электрических сигналов на выходе ФПУ, соответствующие фоновому сигналу второй экспозиции, и запоминают их. Затем осуществляют поэлементное вычитание из запомненных сигналов первой экспозиции сигналов второй экспозиции, по которым определяют распределение освещенности фонового сигнала на поверхности ФЧЭ ФПУ, не искаженное паразитным излучением от ЭК ВК, и полученные результаты, приведенные на фиг. 13, 14, используют для оценки влияния фоновых условий на работоспособность ОЭП.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает повышение достоверности оценки помехозащищенности ОЭП благодаря исключению влияния паразитного фонового излучения, отраженного от ЭК ВК, на распределение фонового сигнала по ФЧП ФПУ при БЗ ОЭП за счет использования ЧЭ.
Предложенный способ обеспечивает возможность точного воспроизведения распределения фонового сигнала по ФЧП ФПУ, имеющего место при боковой засветке ОЭП в условиях штатной эксплуатации, что повышает точность измерения параметров и характеристик ОЭП в условиях наземной отработки ОЭП.