Габаритно-энергетический расчет в оптико- электронной системе с круговой оптической равносигнальной зоной

ГАБАРИТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ С КРУГОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ

Е.М. Богатинский, А.Н. Тимофеев

Предлагается методика габаритно-энергетического расчета модели оптико-электронной системы управления (ОЭСУ) относительно базовой плоскости реализуемой концентрическими оптическими системами.

По мере роста научно-технического прогресса совершенствуются технологии и, соответственно, конструкции строительных машин для проведения земляных работ. В настоящее время для оптимизации и повышения точности подготовки земляного полотна во многих строительных фирмах всего мира используются системы автоматического управления (САУ) строительной техникой, или как их еще называют, системы автоматического задания высотного положения [1]. В основу работы данных систем положено использование лазерных построителей плоскостей, которые задают горизонтальную или расположенную под определенным наклоном плоскость, и лазерных приемников, устанавливаемых на рабочих органах строительных машин.

Главными достоинствами систем с механическим сканированием являются простота оптической системы, высокое качество изображения, возможность работы в различных спектральных диапазонах. Анализ существующих устройств и схем показал, что наличие подвижных элементов, осуществляющих развертку лазерного излучения, весьма существенно снижает точность, особенно в полевых условиях при большой запыленности и влажности атмосферы и при больших колебаниях температуры.

Для обеспечения высокой точности позиционирования на больших дистанциях в качестве базы и предлагается использовать оптическую равносигнальную зону (ОРСЗ), имеющую форму плоскости [2] и позволяющую обеспечить сканирование электронным способом.

В работе [3] показано, что наиболее оптимальной для обзора пространства в полной сфере, полусфере или в некоторой сравнительно широкой кольцевой зоне (360° по азимуту, десятки градусов по углу места) является система с панорамной концентрической оптикой. В таких системах создается плоская проекция полусферы (или области, близкой к ней), которая затем анализируется приемником излучения и вычислительным устройством. Достоинства этих систем очевидны: отсутствие механического сканирования, единый оптический канал, возможность различных способов анализа изображения.

В настоящее время не существует методики габаритно-энергетического расчета панорамных оптико-электронной систем управления. Поэтому целью работы является разработка методики габаритно-энергетического расчета оптико-электронной системы управления с ОРСЗ, реализуемой концентрическими оптическими системами.

Модель прожектора ОЭСУ с ОРСЗ можно представить двумя концентрическими объективами 3 и 4 (рис. 1), строящими изображения излучающих поверхностей ради-ально установленных полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 1, 5. Кольцевая заслонка 2 перекрывает часть пучков излучения ПИД, чтобы изображения подсвеченных границ на максимальной дистанции работы системы соприкасались - образовывалась ОРСЗ. ПИД переключаются с требуемыми частотами/1 и/2 в верхнем и нижнем каналах, происходит частотная модуляция полей.

Важнейшим параметром объектива прожектора является диаметр его выходного зрачка, так как облученность изображения пропорциональна площади выходного зрачка. Максимальный размер диаметра выходного зрачка объектива прожектора Б0 ограничивается габаритами и оптическими параметрами.

Рис. 1. Прожекторный блок системы

С учетом закона синусов Аббе для источника и его изображения можно записать: ё • 8тст = Д0 • tga,

где ё - диаметр излучающей площадки ПИД; а - передний апертурный угол оптической системы прожектора, равный половине угла излучения светодиода; 2а - угол расходимости пучков объектива. Из выражения (1) получаем:

ё • 8та

До =

^а

Так как ПИД расположены практически в фокусе объектива, то запишем: ё

tga = ,

2 • Г

где Г - фокусное расстояние объектива прожектора. При значениях ё = 2,1 мм и 2а = 1о30' на основании выражения (3) получим значение Г:

Г' = ё = 80,21 мм .

2 • tga

Из условия непрерывности распределения облученности в круговой области пространства число ПИД п в каждом канале прожектора будет

2 п Г

п =

ё

= 240.

В качестве объектива приемного блока предлагается использовать стандартный двухлинзовый объектив системы ПУЛ-Н, в фокальной плоскости которого установлен фотодиод (ФД).

Нетрудно показать [2], что диаметр входного зрачка объектива приемной части вычисляется согласно выражению

Д =

2 • кг • 5<р^13 • ё2 • Бт

2 ©/

• т

•4о~аГ

5у• п • т • Р^К^, • Д2

где к1 - коэффициент формы распределения аберраций объектива прожектора; 5ф -поперечная сферическая аберрация объектива прожектора; I - максимальная дистанция работы системы; 0 - угол излучения ПИД на уровне 0,5; т - минимально допустимое отношение сигнал/шум для ОЭСУ; G - спектральная плотность шума ФД; А/- полоса частот пропускания электронного тракта; 5у - минимально регистрируемое смещение приемной части в вертикальной плоскости; т - коэффициент пропускания излучения ПИД оптикой и средой; Ре - мощность излучения ПИД; К - корреляционный множитель серийно выпускаемых ПИД; - токовая чувствительность ФД к потоку излучения от ПИД.

Как известно [4], спектральная плотность шума ФД определяется как

^ I тепл.шум +1 дроб.шум +1 токшум 4 • к • Т + 2 ^ I + АТ ' I

= А/ = Ян + ^ ^ ^ + / ,

где к - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура среды; Ян - сопротивление нагрузки ФД; е - заряд электрона; I - среднее значение тока в приемнике; АТ -коэффициент, зависящий от материала ФЧЭ приемника излучения; /- меньшая частота модуляции потока излучения. Общий ток, протекающий через ФД, состоит из тем-нового, фонового и тока от ПИД.

Задачей энергетического расчета является решение трансцендентного уравнения

(6) методом последовательных приближений - итераций, из-за того, что в выражении

(7) значение I зависит от диаметра Б. Проведем расчет диаметр входного зрачка объектива приемной части для конкретной схемы системы.

Для рассматриваемой схемы предложено использовать ПИД АЛ107Б на основе арсенида галлия (ОаЛв). В качестве фотоприемника предлагается использовать кремниевый фотодиод ФД-27К.

Так как система концентрическая и расстояние между главными плоскостями линз равно нулю, то, задавшись толщиной по оси й3 для мениска 4 (рис. 1) и воздушным промежутком ё2 между объективами 3 и 4 и их марками стекол, можно рассчитать радиус г линзы-шара 3 из уравнения

ф = 1 = 2 •

ЭКК /' • г п2 • (г + ё2) • (г + ё2 + ё3)'

где п1 - показатель преломления стекла линзы-шара 3; п2 - показатель преломления стекла мениска 4. Решив уравнение (8), получим г = 56,69 мм.

Параметры концентрического объектива прожектора приведены в таблице.

Радиус, мм Толщина по Материал п Световой Стрелка,

оси, мм (Х=0.95 мкм) диаметр, мм мм

воздух 1

59,69 10,98 0,25

119,38 Ф2 1,600836

-59,69 35,46 -2,70

35 воздух 1

-94,69 34,26 -1,56

3 К8 1,507792

-97,69 34,56 -1,54

воздух 1

Таблица. Конструктивные параметры концентрического объектива прожектора

Исходя из опыта, полученного, например, для системы ПУЛ-Н [2], максимальное значение поперечной сферической аберрации объектива прожектора 5ф не должно превышать 17'. Поэтому для нахождения оптимального значения Б0 был построен график зависимости максимальной поперечной сферической аберрации от радиуса выходного зрачка объектива прожектора (рис. 2).

Исходя из графика и предельно допустимого значения поперечной сферической аберрации объектива прожектора, находим Б0 = 35,5 мм.

С учетом того, что фокусное расстояние равно 80,21 мм, относительное отверстие объектива прожектора будет равно 1/2,26, что технически реализовать нетрудно.

Для двухчастотного метода создания ОРСЗ наиболее удачное расположение частот модуляции соответствует равенству /2 = 2,5-/1, когда частота/2 лежит между 2-й и

3-й гармоническими составляющими частоты /1 [5]. Поэтому в работе используются частоты /1 = 3276 Гц, / = 2,5/1 = 8192 Гц.

3(р. мин

25

20 17 1S

10

/

/

...

10 1 2 3 4 S 6 7 8 9 2

Г, Л(Д(

Рис. 2. График поперечной сферической аберрации объектива прожектора

На основании выражения (7) при значениях параметров T = 293 K, RH = 0,3 МОм, I = 71 мкА, Ат = 10-12, f = 3276 Гц получим значение спектральной плотности шумов G = 2,43-10-23 А2/Гц [6]. С учетом указанных выше значений, а также величин k1 = 1,5, 5ф = 17', l = 100 м, 0 = 40°, m = 10, Af = 10 Гц, 5y = 0,1 мм, т = 0,53, Pe = 10 мВт, K = 0,7, SI = 0,18 А/Вт, решив трансцендентное уравнение (6), получим диаметр входного зрачка объектива приемной части D = 40,71 мм.

Заключение

Предложена методика габаритно-энергетического расчета оптико-электронной системы управления с ОРСЗ, создаваемой концентрическими оптическими системами.

По результатам проделанной работы доказана реализуемость предложенной оптической системы концентрического типа. В качестве источников выбраны ПИД типа АЛ107Б, приемников - ФД-27К. Диаметр входного зрачка оптической системы приемной части не более 40,71 мм, выходной зрачок прожектора должен быть не менее 35,5 мм.

Предполагается продолжить экспериментальные исследования распределения энергии в ОРСЗ для концентрических оптических систем в области пересечения полей соседних источников.

Литература

1. Знобищев С.В. Системы автоматического управления строительной техникой для выполнения земляных работ. // Геопрофи. 2004. №1.

2. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной // Монография. СПб: ИТМО, 1998.

3. Елизаров А.В., Куртов А.В., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Обзорно-панорамные оптико-электронные системы. // Приборостроение, 2002. Т. 45. №2. С. 37-45.

4. Павлов А.В., Черников А.И. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов // М.: Энергия, 1972.

5. Ефремов А.Н., Камальдинов А.К., Мармалев А.И., Самородов В.Г. Лазерная техника в мелиоративном строительстве. // М.: Агропромиздат, 1989.

6. Богатинский Е.М., Тимофеев А.Н. Особенности энергетического расчета оптико-электронной системы управления строительными машинами. // Труды четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2005». СПб: СПбГУ ИТМО, 2005.