Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров вертикального градиента температуры воздушного тракта на информативные свойства полихроматической оптической равносигнальной зоны

6

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА НА ИНФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИХРОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНЫ

К.Г. Араканцев, И.А. Коняхин, В.Л. Мусяков, А.Н. Тимофеев

В статье приведены результаты исследования влияния параметров атмосферы на информативные свойства оптической равносигнальной зоны. Обосновано применение полихроматических методов компенсации влияния атмосферы для уменьшения погрешности определения углов и расстояний при помощи оптико-электроных систем с оптической равносигнальной зоной.

Задача пространственного позиционирования объектов относительно протяженной базы актуальна в самых различных областях науки и техники: при инженерно-геодезических измерениях в машиностроении [1, 2] и строительстве, при управлении исполнительными органами дорожных машин, при производстве земляных и мелиоративных работ [3]. В качестве протяженной измерительной базы может применяться оптическая равносигнальная зона (ОРСЗ), имеющая ряд неоспоримых преимуществ перед коллимированным лазерным лучом.

ОРСЗ можно определить как область пересечения электромагнитных полей оптического диапазона, в которой основные информативные параметры равны, а вторичные информативные параметры различаются [4]. Принципы формирования ОРСЗ и модуляции ее информативных параметров изложены в работе [5].

Повышение требований к точности изготовления строительных и промышленных конструкций, а также точности их монтажа и последующего контроля их состояния обусловливает ужесточение требований по точности к измерениям их положения в пространстве. Основным источником погрешностей при точном определении углов и расстояний с помощью оптико-электронных систем (ОЭС) являются эффекты, вызванные неоднородной средой распространения оптического луча. Работы российских [6] и зарубежных исследователей [7], а также исследования, ранее проведенные в СПбГУ ИТМО [8], показали перспективность многоспектральных (многоволновых, дисперсионных) или, как их принято называть, полихроматических методов [9, 10] компенсации влияния атмосферы.

Целью проводимого исследования являлось рассмотрение вопросов, связанных с исследованием влияния параметров атмосферы на информативные свойства полихроматической ОРСЗ. Исследование ставит задачу теоретического и экспериментального изучения связи параметров атмосферы со свойствами полихроматической ОРСЗ с целью разработки методов и средств ослабления воздействия воздушного тракта на определение пространственного положения объектов при помощи ОЭС с ОРСЗ.

В рамках данного исследования планировалось решить следующие задачи:

• оценить возможную степень ослабления влияния параметров воздушного тракта на распределение энергии в полихроматической ОРСЗ и регистрацию ее положения;

• разработать принципы и методики оптимизации параметров полихроматической ОРСЗ с целью уменьшения влияния воздушного тракта на регистрацию ее положения;

• разработать и реализовать установку для проведения экспериментальных исследований, подтверждающих методологию ослабления влияния температуры и связанной с ней турбулентности воздушного тракта на регистрацию положения ОРСЗ;

• структурировать погрешности метода;

• разработать комплекс аппаратно-программных средств противодействия влиянию воздушного тракта.

Влияние рефракции атмосферы на распространение пучка лучей можно представить как прохождение пучка через оптический клин с углом ср и показателем преломления п, отличным от показателя преломления окружающей среды. Указанное отличие показателя преломления клина обусловлено многими факторами (изменение температуры, давления и влажности воздуха), которые оказывают существенное влияние на распространение оптического излучения в атмосфере. Отклонение пучка лучей, прошедших через клин, можно вычислить по формуле [2]:

Щфр =

Тогда смещение пучка лучей в плоскости фокусировки можно вычислить как: Ъкр1 = 10 р1 = 1о

где 5Ир1 - величина смещения пучка лучей для одной длины волны; Ъкр2 - величина смещения пучка лучей для другой длины волны, отличной от первой; 10 - дистанция контроля смещения; п1 - величина показателя преломления воздушного тракта для излучения первой длины волны; п2 - величина показателя преломления воздушного тракта для излучения второй длины волны.

Разность значений смещений пучка лучей в плоскости фокусировки для двух длин волн (дисперсионная разность) даст нам значение смещения пучка лучей, обусловленного рефракцией атмосферы в рассматриваемом спектральном диапазоне:

Л = ЪЪр1 - ЬИр2 = 1о

где Л - дисперсионная разность.

Для более достоверного изучения влияния рефракции атмосферы на точность регистрации положения ОРСЗ желательно проводить исследования в широком спектральном диапазоне. Поэтому будем использовать излучение в инфракрасной (И) и синей (С) областях спектра.

Для коротких дистанций на горизонтальных трассах рефракция атмосферы в основном обусловлена вертикальным градиентом температуры. Тогда смещение по координате у [16]:

ЪИР = - [(п - 1) / (п Т)] &а&уТ 1о2/ 2,

где Т - температура окружающей среды, К; 10 - дистанция фокусировки объектива формирователя ОРСЗ, м; §гаёуТ - вертикальный градиент температуры, К/м. В этом случае дисперсионная разность:

Л = ЪИир - 5ИСр = 0,5 • дга^Т • 1

п

и • пс • Т

Искомая величина смещения приемной части (ПЧ) ОЭС с ОРСЗ И, исключающая воздействие вертикального градиента температуры:

И=

Ъ--

Ли

пи - пс

4А кЯзбн • ЯПр

Из выражения (6) видно, что величина смещения пропорциональна разности сигналов и^ и Л С/, где 1Е = ||и| + ||с| - сумма модулей сигналов рассогласования, снимаемых с ПОИ для излучений в инфракрасной и синей областях спектра; Ли = |ии | - |с | - разность этих же модулей сигналов рассогласования.

1

Необходимо выбирать длины волн ПИД так, чтобы разность величин сигналов, обусловленных деформацией ОРСЗ из-за рефракции воздушного тракта, была максимальна с учетом реальных условий. Выполнение этого условия обеспечит более точное определение истинного смещения ОРСЗ. Сигнал, снимаемый с ПОИ на определенной длине волны, зависит от величины S(n - 1), где S - спектральная чувствительность ПОИ, (n - 1) - индекс показателя преломления на данной длине волны X . С целью нахождения оптимальных длин волн источника оптического излучения (ИОИ) были исследованы зависимости разностей S(n1 - 1) - S(n2 - 1) для кремниевого фотодиода (ФД-24К), вычисленных таким образом, что S(n1 - 1) является постоянной величиной для каждой кривой (т.е. отвечает одной длине волны), а S(n2 - 1) пробегает значения X в пределах спектральной чувствительности фотодиода. Описанные зависимости представлены графиками на рис. 1. Каждая кривая соответствует определенной длине волны первого ИОИ, по оси ординат отложены значения S(n1 - 1) - S(n2 - 1) (в относительных единицах), а по оси абсцисс - длины волн второго ИОИ [17-19].

Получение максимального разностного сигнала возможно при использовании кремниевого фотодиода и ИОИ с длинами волн, близкими к 0,4 и 0,85 мкм. Такие результаты являются обоснованными с той точки зрения, что X = 0,85 мкм является точкой максимальной чувствительности фотодиода ФД-24К, в то время как параметры оптической схемы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы при X = 0,4 мкм обеспечивалось условие требуемой пороговой чувствительности. Очевидно, что разностные сигналы на других длинах волн будут всегда меньше (для данного типа ПОИ).

3,00E-04 Р 2,50E-04

I

£ 2,00E-04 í/>

> 1,50E-04 1,00E-04

.С

5,00E-05 0,00E+00

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 Длина волны, мкм

Рис. 1. График зависимости S(n1 - 1) - S(n2- 1) для кремниевого фотодиода:

1 - длина волны первого ИОИ - 0,4 мкм; 2 - длина волны первого ИОИ - 0,5 мкм;

3 - длина волны первого ИОИ - 0,6 мкм; 4 - длина волны первого ИОИ - 0,7 мкм;

5 - длина волны первого ИОИ - 0,8 мкм

Ввиду вышеуказанных преимуществ кремниевого фотодиода он используется в исследуемой схеме в качестве ПОИ. В качестве ИОИ выбраны два инфракрасных полупроводниковых излучающих диода (ИК ПИД) (L513irc), максимум излучения которых приходится на длину волны 0,95 мкм, и два ПИД (L513sbc), максимум излучения которых приходится на длину волны 0,43 мкм (синие ПИД).

Для проверки изложенных выше теоретических положений были проведены экспериментальные исследования влияния рефракции атмосферы на регистрацию положения ОРСЗ дисперсионным двухволновым методом. Схема разработанного макета приведена на рис. 2.

Пучок лучей одной длины волны проектируется прожектором 1 в плоскость фоточувствительной площадки ПОИ, расположенного в блоке 2 вместе с предусилителем. Сигнал, снимаемый с выхода ПОИ, поступает на предусилитель, откуда далее идет на

селективный усилитель (УС), а с него - на вольтметр 4 и осциллограф 5. Блок питания ПОИ (БП ПОИ) и блок питания прожектора (БП) вырабатывают требуемые напряжения питания ПОИ, предусилителя и ПИД. Источник рефракции 6 (в нашем случае нагревательный прибор) обеспечивает наличие вертикального температурного градиента в воздушном тракте на заданном участке контроля.

Если рефракция отсутствует, то ПОИ находится на ОРСЗ, и сигнал с выхода предусилителя 2 будет минимальным. Соответственно, стрелка вольтметра 4 будет иметь минимальное отклонение, а на осциллографе 5 сигнал рассогласования будет отсутствовать. В случае, когда присутствует рефракция в воздушном тракте, пучок лучей, испускаемый прожектором 1, изменит направление, и в результате ОРСЗ в плоскости ПОИ будет смещена относительно первоначального положения. При этом стрелка вольтметра 4 будет иметь большее отклонение, чем при начальном положении, а на экране осциллографа 5 появится сигнал рассогласования. Вращая ручку координатного столика 3, можно привести ПОИ в положение, в котором сигнал, снимаемый с ПОИ, будет опять минимальным, т. е. ПОИ будет снова в ОРСЗ. Оценив величину смещения ПОИ, можно вычислить значение рефракции атмосферы для излучения с заданной длиной волны. При испускании прожектором 1 двух пучков различных длин волн влияние рефракции воздушного тракта ослабляется за счет указанных ранее процессов.

Рис. 2. Схема исследования влияния рефракции атмосферы на регистрацию положения ОРСЗ дисперсионным двухволновым методом

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

ЗНр, мм

500

900

1300

1700

2100

5

Рис. 3. Графики зависимости смещения пучка лучей с ОРСЗ при наличии вертикального градиента температуры на различных участках рабочей дистанции: 1 - для пучка лучей с длиной волны 0,43 мкм; 2 - для пучка лучей длиной волны 0,95 мкм

Графики экспериментальной зависимости смещения пучка лучей на различных участках рабочей дистанциях г при вертикальном температурном градиенте 21 К / м приведены на рис. 3. Из хода кривых видно, что смещение пучков лучей с ОРСЗ, обусловленное рефракцией воздушного тракта, нелинейно возрастает по мере удаления источника рефракции от прожектора. Измеренная величина смещения пучков лучей описывается выражением:

Ъкр = 10-8г2.

При этом погрешность величины смещения пучка лучей, полученной по указанному выражению, относительно величины, рассчитанной по формуле (7), составляет менее 0,01 %, что подтверждает правильность предлагаемых теоретических положений. Кроме того, смещение пучка лучей синих ПИД превосходит смещение пучка лучей ИК ПИД на величину разности смещения пучков лучей

А = ЪкСр - 5ИИр , что связано с дисперсией показателя преломления воздуха.

График зависимости дисперсионной разности смещений пучков лучей при различных дистанциях г и указанном выше температурном градиенте представлен на рис. 4.

А, мм

0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0

500 900 1300 1700 2100

Рис.4. График экспериментальной зависимости дисперсионной разности смещений пучков лучей при различных дистанциях г и вертикальном температурном градиенте, равном 21 К / м

Из приведенного на рис. 4 графика зависимости дисперсионной разности смещений пучков лучей с ОРСЗ от дистанции между оптической системой формирователя ОРСЗ и ПЧ видно, что значения разности смещений синего и инфракрасного пучков лучей с ОРСЗ в 20 раз меньше значений смещений как синего, так и инфракрасного пучка лучей. Поскольку чувствительность системы позволяет регистрировать указанную разность, исследуемый метод измерения рефракции атмосферы можно применять при компенсации смещения пучка лучей с ОРСЗ в ОЭС вследствие воздействия атмосферы. В дальнейшем планируется проведение исследования влияния атмосферы на положение ОРСЗ с использованием трех длин волн оптического излучения.

Кроме изложенного выше, по результатам исследования:

• определена зависимость распределения облученности в ОРСЗ по дистанции от радиуса выходного зрачка объектива формирователя ОРСЗ и получены выражения, описывающие распределение облученности в пределах общей переходной зоны;

• разработан алгоритм обработки информации в коллимационной ОЭС с полихроматической ОРСЗ;

• разработаны две лабораторные установки для проведения экспериментальных исследований, подтверждающих методологии ослабления влияния воздушного тракта;

• разработан и реализован макет коллимационной ОЭС с полихроматической ОРСЗ;

• собран стенд для исследований дисперсионного двухволнового метода ослабления влияния атмосферы в коллимационной ОЭС с ОРСЗ;

• разработаны методика измерений двухволновым методом и макет авторефлек-сионой ОЭС, в котором на аппаратном и программном уровне реализован двухволно-вой метод измерений.

В рамках приведенного исследования теоретически обоснована возможность применения двухволнового метода измерений для уменьшения погрешности от регулярной рефракции воздушного тракта при измерениях положения объекта с помощью ОЭС с ОРСЗ; создан макет коллимационной ОЭС с ОРСЗ, реализующей двухволновый метод измерений. Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических положений. В дальнейшем планируется реализация физических и математических моделей, а также модификация экспериментальных установок и проведение углубленных экспериментальных исследований с трехволновой ОРСЗ, что позволит повысить точность измерений положения объекта в условиях действия в системе регулярной рефракции по сравнению с двухволновым методом.

Проведенные исследования находятся в русле перспективных направлений развития науки и техники РФ и выполняются в рамках гранта РФФИ в области знания 08 - Фундаментальные основы инженерных наук (проект № 06-08-00356 а).

Литература

1. Карасев В.И., Монэс Д.С. Методы оптических измерений при монтаже турбоагрегатов. - М.: Энергия, 1973. - 168 с.

2. Неумывакин Ю.К. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. - М.: Недра, 1984. - 128 с.

3. Васютинский И.Ю., Рязанцев Г.Е., Ямбаев Х.К. Геодезические приборы при строительно-монтажных работах. - М.: Недра, 1982. - 272 с.

4. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной /Под. общ. ред. Э.Д. Панкова. - СПб: СПбГУ ИТМО, 1998. - 238 с.

5. Цуккерман С.Т., Гридин А.С. Приборы управления при помощи оптического луча. - Л.: Машиностроение, 1969. - 204 с.

6. Прилепин М.Т., Голубев А.Н. Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. - М.: Недра, 1972. - 168 с.

7. Böckem B., Flach P., Weiss A., Hennes M. Refraction Influence Analysis And Investigations On Automated Elimination Of Refraction Effects On Geodetic Measurements / Paper to XVI IMEKO World Congress 2000, 25-28 Sept. 2000, Vienna.

8. Sviatoslav M. Latyev, Ernst D. Pankov, Alexander V. Prokofjev, Alexander N. Ty-mofeev. Refraction's slacking in optoelectronic systems for positioning of elements of ecological dangerous objects // Proc. SPIE Vol.5381, pp.157-163 (2004).

9. Витол Э.А. "Ослабление влияния регулярной рефракции на точность работы оптико-электронной системы". // Сборник трудов конференции "Оптика-2003" 2023 октября 2003 г. СПб.: ГОИ, 2003. С 57-60.

10. Витол Э.А., Мусяков В.Л., Коняхин И.А., Тимофеев А.Н. Реализация дисперсионного метода в оптико-электронных системах с оптической равносигнальной зоной. // VI Международная конференция "Прикладная оптика" 18-21 октября 2004 г, С.Пб, Россия. Сборник трудов. Том.1 "Оптическое приборостроение". -СПб, 2004. С. 37-40.