УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ И ПРОВЕРКИ СТАТИЧЕСКИХ ШИРОКОПОЛЬНЫХ УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ПРИБОРОВ ОРИЕНТАЦИИ ПО ЗЕМЛЕ

Предлагаемая модель относится к области измерительной техники, а более конкретно к устройствам для настройки и проверки углоизмерительных инфракрасных (ИК) приборов ориентации космических аппаратов (КА) по Земле.
Известно устройство (аналог) для настройки и проверки углоизмерительных ИК приборов ориентации КА по Земле, содержащее подогреваемые излучатели, имитирующие Землю, охлаждаемые излучатели, имитирующие космос, зеркальный параболический тор с плоским зеркалом, коллимирующий излучение имитируемой границы «Земля-космос», расположенные в поле зрения прибора, размещаемого в двухстепенном подвесе (см. Федосеев В.И., Колосов М.П., «Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов»: - М.: Логос, 2007. - 247 с, рис. 6.3, стр. 228).
Данное устройство, обеспечивающее имитацию угловых полей и температурный контраст между Землей и космосом, соответствующих геостационарной орбите в спектральном диапазоне Δλ=8 мкм…20 мкм, предназначено для настройки и проверки сканирующих оптико-электронных углоизмерительных ИК приборов ориентации КА по Земле секущего типа с мгновенными полями порядка нескольких градусов.
Назначение этих приборов - определение угловых координат отклонения оси визирования прибора от местной вертикали (направление на центр Земли).
В данном устройстве наличие зеркального тора, коллимирующего излучение имитируемой границы «Земля-космос», минимизирует влияние дефокусировки изображения в проверяемых сканирующих приборах, содержащих, как правило, длиннофокусные объективы. Совместное вертикальное перемещение излучателей обеспечивает изменение имитируемого углового размера Земли.
Проверка точностных характеристик прибора с помощью известного устройства производится путем наклона прибора, установленного в двухстепенном подвесе на фиксируемый (с помощью датчиков угла поворота) угол и сравнения этого угла с угловой координатой вертикали (направление на центр имитируемой Земли), измеренной непосредственно прибором.
Недостатком аналога является сложность его конструкции, включающей в себя несколько подогреваемых и охлаждаемых излучателей, параболический тор, плоское зеркало, механические узлы и их крепления. Такая совокупность признаков обусловлена необходимостью создания устройства для проверки сканирующих приборов секущего типа с длиннофокусными объективами. К тому же устройство усложняет необходимость выравнивания температур подогреваемых и соответственно охлаждаемых излучателей. Очевидно, что создание такого устройства сопряжено с большими технологическим трудностям и стоимостным затратам.
Другим недостатком этого технического решения является незначительный диапазон изменения имитируемого углового размера Земли - всего ±25′ (для имитации высот полета H=33796 км и H=37796 км). Поскольку изменение углового размера Земли обеспечивается за счет совместного вертикального перемещения излучателей, особенностями работы параболического тора и геометрией устройства в целом, то для имитации другого углового размера Земли, необходимого для проверки приборов, работающих и на более низких высотах, требуется создание нового устройства, которое будет отличаться от существующего параметрами параболического тора, габаритами и размерами излучателей, элементами креплений, что приводит к большим стоимостным затратам. Также следует отметить, что разработка и изготовление параболического тора, обеспечивающего имитацию больших угловых размеров Земли, является сверхсложной технологической задачей.
Кроме того, к недостаткам данного устройства (применительно к проверке статических ИК приборов ориентации КА по Земле на основе болометрической матрицы в качестве приемника излучения) следует отнести и наличие некоторых механических узлов крепления элементов устройства к основанию стенда, например, крепления плоского зеркала. При проверке сканирующего прибора секущего типа с мгновенным полем порядка нескольких градусов данное крепление не препятствует прохождению рабочих пучков. Однако при проверке статических матричных приборов, для которых необходима полная имитация диска Земли и космоса для обеспечения измерений в пределах значительных полей зрения, это крепление будет находиться в поле зрения прибора, снижая точность определения энергетического центра имитируемой Земли и ограничивая угловое поле измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для настройки и проверки углоизмерительных ИК приборов ориентации КА по Земле, выбранное в качестве прототипа, содержащее установленные по ходу луча плоские охлаждаемый и подогреваемый излучатели, расположенные в поле зрения прибора, размещаемого в двухстепенном подвесе (см. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: - М.: Логос, 2007. - 247 с, рис. 6.5 на стр. 230).
В этом устройстве, приведенном на фиг.1, плоский подогреваемый излучатель 1 имитирует излучение Земли, а плоский охлаждаемый излучатель 2 имитирует излучение космоса.
В процессе проверки испытуемый прибор устанавливается в двухстепенном подвесе на конечном расстоянии от излучателей. В фокальной плоскости прибора формируется изображение имитируемой Земли и космоса, по которому производится настройка прибора.
Назначение этих приборов - определение угловых координат отклонения оси визирования прибора от местной вертикали (направление на центр Земли).
Проверка прибора производится таким же образом, как в случае аналога.
3емли
изл.1
1
Земли
изл.1
1
Земли
изл.1
1
Имитируемый угловой размер Земли 2ω определяется диаметром подогреваемого излучателя D и его расстоянием L до входного зрачка испытуемого прибора. Величины ω, D и L как это следует из фиг. 1, связаны зависимостью tgω=D/2L.
космоса
космоса
прибора
космос
изл.2
2
земли
изл.2
2
космос
изл.2
2
1
2
космос
изл.2
1
Угловой размер имитируемого космоса 2ω должен перекрывать все угловое поле испытуемого прибора, которое всегда больше углового размера Земли, для обеспечения ее захвата, то есть 2ω≥2ω. Имитируемый угловой размер космоса 2ω определяется диаметром охлаждаемого излучателя D и его расстоянием L до входного зрачка испытуемого прибора. Величины 2ω, D и L, как это следует из фиг. 1, связаны зависимостью tgω=D/2L. Для предварительных вычислений можно принять L=Lи тогда tgω=D/2L.
1
Ввиду расположения излучателей 1, 2 на конечном расстоянии от объектива испытуемого прибора, в фокальной плоскости объектива возникает дефокусировка, которая может снизить качество формируемого изображения имитируемой границы «Земля-космос» и, следовательно, и точностные параметры прибора, которые не будут соответствовать реальным условиям полета. Однако при удалении подогреваемого излучателя от входного зрачка прибора L на величину порядка нескольких десятков фокусных расстояний прибора и более (в зависимости от относительного отверстия объектива прибора), изменение качества изображения вследствие дефокусировки будет минимальным.
Такое построение устройства наиболее оптимально для проверки статических ИК приборов на основе болометрических матричных приемников излучения, имеющих маленькие фокусные расстояния объективов порядка нескольких миллиметров и угловые поля порядка нескольких десятков градусов. В этом случае габариты устройства D и L будут достаточно реальными для практической реализации.
В данном устройстве, в отличие от аналога, достаточно просто реализуются необходимые имитируемые угловые размеры Земли и космоса малых и средних размеров при достаточно компактных габаритах.
Имитация различных угловых размеров Земли (при неизменном угловом размере имитируемого космоса) может быть обеспечена за счет установки подогреваемых излучателей 1 нужного диаметра.
Земли
космоса
зр
К недостаткам прототипа следует отнести невозможность имитации больших угловых размеров Земли и космоса из-за нереальных линейных размеров плоских излучателей 1 и 2, что не позволяет обеспечить настройку и проверку широкопольных статических матричных приборов ориентации КА, работающих также и на низких высотах. В качестве примера определим габариты излучателей 1 и 2, необходимых для проверки прибора с угловым полем 2ω=176° для высоты полета 500 км (2ω=136°, 2ω≥176°), имеющего фокусное расстояние объектива f'=4,9 мм и диаметр зрачка ⌀=2,45 мм (см., например, Гебгарт А.Я., Шатова А.Я., Медведев В.В., «Оптические типы некоторых типов широкоугольных ИК объективов», Оптический журнал, 2013 г, т. 80, №2, стр. 48 -51).
1
изл.1
изл.2
При L=189 мм (L\f'=42), диаметры излучателей 1 и 2, как следует из приведенных выше выражений, должны быть D=93 5,5 мм, D=10824,5 мм, что практически невозможно реализовать.
Также, недостатком устройства является попадание в поле прибора элементов конструкции, необходимых для обеспечения подогрева излучателя 1.
Кроме того, при использовании плоских излучателей для имитации больших угловых размеров Земли имеет место значительная неравномерность освещенности во входном зрачке испытуемого прибора для разных точек поля, обусловленная разной удаленностью точек излучателя от зрачка, а также разной энергетической яркостью излучателя для различных углов наклона, что приводит к недостоверности настройки и проверки испытуемого прибора.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства (стенда), обеспечивающего настройку и проведение точностных испытаний статических широкопольных углоизмерительных ИК приборов ориентации КА по Земле, обеспечивающего имитацию любого диапазона имитируемых угловых размеров Земли и космоса при высокой равномерности освещенности и без попадания в поле зрения прибора элементов конструкции.
Данная задача решается благодаря тому, что в устройстве для настройки и проверки углоизмерительных ИК приборов ориентации по Земле, содержащем подогреваемый и охлаждаемый излучатели, расположенные в поле зрения прибора, размещаемого в многоосном подвесе, излучатели выполнены в виде концентрических сферических чаш двухстенной конструкции, полость каждой из которых снабжена терморегулируемой средой, а сменный охлаждаемый излучатель, расположенный по ходу луча за подогреваемым излучателем, вогнутой поверхностью обращенный к многоосному подвесу, имеет центральное отверстие, соответствующее угловому размеру имитируемой Земли.
При этом следует учесть развитие и уточнение совокупности вышеизложенных признаков полезной модели, а именно:
- установку подогреваемого и охлаждаемого излучателей с возможностью их совместного перемещения вдоль оптической оси устройства;
- размещение в полости подогреваемого излучателя перегородки для разделения терморегулируемых сред;
- выполнение охлаждаемого излучателя в виде набора излучателей, отличающихся друг от друга размером центрального отверстия, соответствующего угловому размеру имитируемой Земли;
- размещение за охлаждаемым излучателем по ходу луча коллимирующей линзы;
- выбор многоосного подвеса с тремя осями вращения.
Данная полезная модель характеризуется совокупностью признаков, выражающихся в наличии новых в сравнении с прототипом конструктивных решений, таких как:
- форма выполнения подогреваемого и охлаждаемого излучателей, имеющих существенно меньшие линейные размеры по сравнению с прототипом за счет своей сферической поверхности, позволяющей имитировать любые угловые размеры Земли и космоса;
- выполнение охлаждаемого излучателя с отверстием и расположение его по ходу луча за подогреваемым излучателем, что обеспечивает полную имитацию диска Земли и космоса без попадания элементов конструкции в поле зрения испытуемого прибор;
- сферическая форма концентрических излучателей, центр кривизны которых находится вблизи входного зрачка испытуемого прибора, что обеспечивает распространение осей пучков, входящих в объектив прибора, вдоль нормалей к поверхностям излучателей, и, следовательно, высокую равномерность освещенности в области входного зрачка прибора. Это свойство особенно важно для проверки приборов с объективами, имеющими угловые поля порядка 180° и практически равномерное распределение освещенности по полю.
Кроме того, указанное развитие и уточнение признаков полезной модели, приведенные в независимых пунктах, касаются:
- возможности реализации совместного перемещения излучателей вдоль оптической оси для обеспечения имитации атмосферного слоя и изменения имитируемых угловых размеров в небольших пределах;
- наличия в полости подогреваемого излучателя перегородки для разделения терморегулируемых сред, что позволяет, при необходимости, создать разную температуру в полостях излучателя и обеспечить разный температурный контраст на противоположных сторонах имитируемой Земли;
- установки сферических охлаждаемых излучателей из набора с диаметром центрального отверстия, соответствующего требуемому угловому размеру Земли, для имитации любых других угловых размеров Земли;
- наличия коллимирующей линзы, фокальная плоскость которой совмещается с границей раздела «Земля-космос», обеспечивающей устранение влияния линейных смещений прибора в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства, которые могут вносить дополнительные угловые погрешности определения центра имитируемой Земли. При этом некоторый уход от концентричности поверхностей сферических излучателей практически не влияет на равномерность освещенности в области зрачка;
- наличия третьей оси подвеса, направленной вдоль оси прибора, что позволяет реализовать необходимую при проверках систему координат (сферическую или полярную) и обеспечить определение и компенсацию таких погрешностей, как, например, непараллельность визирной линии прибора и нормали к его посадочной плоскости.
Техническим результатом, реализуемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение имитации любых угловых размеров Земли и космоса, повышение равномерности освещенности на входном зрачке испытуемого прибора и исключение попадания в поле зрения испытуемого прибора элементов конструкции, что позволяет производить настройку и проверку точностных характеристик статических широкопольных ИК приборов ориентации КА по Земле, работающих в широком диапазоне высот полета.
Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями, позволяющими получить новый положительный эффект.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показана оптическая схема ближайшего аналога - прототипа;
на фиг. 2 изображена оптическая схема предлагаемого устройства;
на фиг. 3 приведена оптическая схема предлагаемого устройства с коллимирующей линзой.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит: подогреваемый излучатель 1 и охлаждаемый излучатель 2 с центральным отверстием 3, выполненные в виде концентрических сферических чаш двухстенной конструкции, а также трехосный подвес (на чертеже не показан) с осями I, II, III, с установленным на нем проверяемым прибором. Полость каждого из излучателя снабжена терморегулируемой средой. Вогнутые сферические поверхности излучателей 1, 2 обращены к подвесу, при этом центры их кривизны расположены вблизи центра зрачка прибора на пересечении осей вращения I, II, III. Охлаждаемый излучатель 2 снабжен центральным отверстием 3. В полости подогреваемого излучателя может быть размещена перегородка 4 для разделения терморегулируемых сред. Излучатели имеют возможность совместного перемещения вдоль оптической оси. Также в состав стенда входит коллимирующая линза 5 (см. фиг. 3). Данное устройство обеспечивает имитацию угловых полей и температурный контраст между Землей и космосом в спектральном диапазоне Δλ=8 мкм…20 мкм, что позволяет проводить настройку и проверку точности испытуемых приборов.
Двухстенная конструкция излучателя может быть изготовлена путем выдавливания двух сферических поверхностей и последующей их сварки друг с другом с зазором для формирования полости, например, из сплава АМг6, имеющего высокий коэффициент теплопроводности. Острая кромка по периметру отверстия 3 в охлаждаемом излучателе (для формирования границы Земля - космос), может быть выполнена в виде отдельной вставки также из сплава АМг6, приваренной к излучателю. Перегородка 4 в подогреваемом излучателе 1 может быть выполнена в виде сварной конструкции. Терморегулируемая среда представляет собой жидкость необходимой температуры, помещаемую в полости излучателей. Указанной жидкостью может служить вода, тосол и т.д. Проток жидкости в замкнутом контуре осуществляется с помощью входного и выходного шлангов, подключаемых к входному и выходному отверстиям полости, а обеспечение заданной температуры - термостатом. Таким образом, предлагаемые примеры реализации подтверждают осуществимость заявленного технического решения.
Устройство работает следующим образом.
Испытуемый прибор устанавливается в трехстепенном подвесе с осями I, II, III на конечном расстоянии от излучателей. Входной зрачок прибора расположен в центре кривизны поверхностей излучателей 1 и 2 на пересечении осей вращения I, II, III. Сферический охлаждаемый излучатель 2 имитирует излучение космоса, а сферический подогреваемый излучатель 1 через центральное отверстие 3 излучателя 2 имитирует излучение Земли. Острая кромка по периметру отверстия 3 в охлаждаемом излучателе 2, формирует имитацию границы Земля - космос. В фокальной плоскости прибора формируется изображение имитируемой Земли, по которому производится настройка прибора. Данное устройство обеспечивает имитацию угловых полей и температурный контраст между Землей и космосом в спектральном диапазоне Δλ≈8 мкм…20 мкм.
Проверка точности прибора, производится также, как и в прототипе, путем наклона прибора в подвесе на фиксируемый (с помощью датчиков угла поворота угол) и сравнения этого угла с угловой координатой вертикали (направление на центр имитируемой Земли), измеренной непосредственно прибором.
Данное устройство предназначено для настройки и проверки статических широкопольных оптико-электронных ИК приборов ориентации КА по Земле на основе матричных приемников излучения, имеющих маленькие фокусные расстояния объективов порядка нескольких миллиметров. В этом случае габариты устройства D и L будут достаточно реальными для практической реализации:
2
2
2
2
зр.
2
зр.
зр
2
2
2
2
2
2
- расстояние от охлаждаемого излучателя 2 до входного зрачка прибора L может быть определено из условия минимизации влияния дефокусировки в объективе прибора, возникающей ввиду расположения излучателей на конечном расстоянии от прибора. Указанная дефокусирока снижает качество изображения имитируемой границы Земля - космос а, следовательно, и точностные параметры прибора, которые не будут соответствовать реальным условиям полета. При совпадении центра кривизны излучателей 1 и 2 с центром входного зрачка прибора L=R, где R - радиус кривизны поверхности охлаждаемого излучателя 2, обращенной к прибору. Указанная дефокусирока снижает качество изображения имитируемой границы Земля - космос а, следовательно, и точностные характеристики прибора, которые не будут соответствовать реальным. Величина дефокусировки в угловой мере (в радианах) определяется известным выражением Δψ≈⌀/L, где ⌀ - диаметр зрачка объектива прибора. Для минимизации влияния дефокусировки ее величина должна быть не больше дифракционного кружка рассеяния (кружка Эри) испытуемого объектива, угловая величина которого определяется известным выражением γ=2,44λ/⌀, где λ - рабочая длина волны. Тогда из условия Δψ≤γ можно получить выражение для расстояния L(R), которое будет иметь вид  или L=R≥(f'/N)/2,44λ, где N - диафрагменное число. Например, для объектива прибора с фокусным расстоянием f'=4,9 мм, диаметром входного зрачка D=2,45 мм и длиной волны λ=12 мкм, расстояние от подогреваемого излучателя 1 до зрачка прибора и радиус кривизны поверхности охлаждаемого излучателя 2 составят L=R≥189 мм;
Земли
отв.изл.2
2
2
2
2
земли
отв.изл.2
2
Земли
отв.изл.2
2
изл.1
- имитируемый угловой размер Земли 2ω определяется диаметром отверстия охлаждаемого излучателя D, его расстоянием L до входного зрачка испытуемого прибора и радиусом кривизны поверхности охлаждаемого излучателя 2 R. При совпадении центра кривизны излучателей 1 и 2 с центром входного зрачка прибора L=R, а величины ω, D и R, как это следует из фиг. 2, связаны зависимостью sinω=D/2R. Диаметр D подогреваемого излучателя 1 должен быть всегда больше диаметра отверстия в охлаждаемом излучателя 2;
космос
изл.2
2
2
2
космос
изл.2
2
космос
изл.2
2
- имитируемый угловой размер космоса 2ω определяется диаметром охлаждаемого излучателя D, его расстоянием L до входного зрачка испытуемого прибора, а также радиусом кривизны поверхности охлаждаемого излучателя 2R. При совпадении центра кривизны излучателей 1 и 2 с центром входного зрачка прибора L=R, а величины ω, D и R, как это следует из фиг. 2, связаны зависимостью sinω=D/2R.
изл
2
изл.2
изл
Очевидно, что при стремлении угла 2ω→180°, D.→2L=2R (в отличие от прототипа, имеющего плоскую форму излучателей и у которого при стремлении угла 2ω→180°, D.→∞).
Земли
космоса
зр
1
отв.изл.2
изл.2
изл
отв.изл.2
В качестве примера можно показать: для проверки прибора для высоты полета 500 км (2ω=136°, 2ω≥176°), имеющего фокусное расстояние объектива f'=4,9 мм, диаметр входного зрачка ⌀=2,45 мм и расположенного от охлаждаемого излучателя 2 на расстояние L=189 мм (для минимизации дефокусировки) диаметры излучателей составят D=350,5 мм, D=378 мм (полусфера). D.1≥D.
Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается возможность имитации любых угловых размеров Земли и космоса при реальных размерах сферических излучателей (в отличие от прототипа, который не обеспечивает имитацию больших угловых полей из-за плоской формы излучателей), что необходимо для настройки и проверки широкопольных статических ИК приборов ориентации КА.
В предлагаемом устройстве охлаждаемый излучатель 2, расположенный перед испытуемым прибором, перекрывает все поле прибора, благодаря чему все элементы конструкции, в том числе шланги для подводки жидкости в полость излучателей, могут размещаться с внутренней стороны излучателей или по их торцу и не попадают в угловое поле прибора (в отличие от прототипа, где указанные элементы попадают в поле прибора).
Сферическая форма концентрических излучателей, центр кривизны которых находится вблизи входного зрачка испытуемого прибора, обеспечивает распространение осей пучков, входящих в объектив прибора вдоль нормалей к поверхностям излучателей, и, следовательно, высокую равномерность освещенности в области входного зрачка прибора (в отличие от прототипа, где из-за плоской формы излучателей возникает неравномерность освещенности по полю). Это свойство особенно важно для проверки приборов с объективами, имеющими угловые поля порядка 180° и практически равномерное распределение освещенности по полю.
Наличие перегородки 4 в подогреваемом излучателе 1 позволяет при необходимости обеспечить разную температуру в его полости и создать разный температурный контраст на противоположных сторонах имитируемой Земли.
Имитация различных угловых размеров Земли обеспечивается за счет установки (из набора излучателей), отличных друг от друга сферических охлаждаемых излучателей 2 с диаметром центрального отверстия 3, соответствующими требуемому угловому размеру Земли, а также за счет совместного перемещения излучателей 1 и 2 в небольших пределах.
Имитация атмосферного слоя, толщина которого для низких орбит может достигать величины порядка градуса, может быть обеспечена за счет некоторой дефокусировки изображения границы Земля-космос. Дефокусировка достигается за счет совместного перемещения излучателей 1 и 2 вдоль оптической оси. Очевидно, что при небольших перемещениях излучателей положительные свойства устройства сохраняются.
В ряде случаев, при проведении точностных проверок прибора, возможно использование коллимирующей линзы 5, фокальная плоскость которой совмещается с границей раздела Земля-космос (фиг. 3). В этом случае устраняется влияние линейных смещений прибора в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства, которые могут вносить дополнительные угловые погрешности определения центра имитируемой Земли. Некоторый уход от концентричности поверхностей сферических излучателей практически не влияет на равномерность освещенности в области зрачка.
Наличие трехосного подвеса, у которого одна из осей (ось III) совпадает с осью прибора, позволяет реализовать необходимую при проверках систему координат (сферическую или полярную), и обеспечить определение и компенсацию таких погрешностей, как, например, непараллельность визирной линией прибора и нормали к его посадочной плоскости.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает настройку и проверку статических широкопольных углоизмерительных ИК приборов ориентации КА по Земле за счет имитации любого диапазона угловых размеров Земли и космоса при высокой равномерности освещенности и без попадания в поле зрения испытуемого прибора элементов конструкции устройства.