Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда

Полный текст:

Аннотация

Описана сканирующая система космического базирования, которая посредством плоского сканирующего зеркала и оптической системы обеспечивает преобразование пространства предметов во временную последовательность электронных сигналов фотоприемника с временной задержкой и накоплением зарядов. Высокая точность синхронизации опроса элементов фотоприемника и развертки пространства предметов происходит за счет движения сканирующего зеркала по показаниям бесконтактного интерферометрического датчика угла. Возвратно-вращательное сканирование плоским зеркалом кинетически скомпенсировано противоположным движением маховика, что сводит к минимуму остаточные возмущения на космическую платформу. Для сокращения импульсного энергопотребления и времени реверса между сканирующим зеркалом и компенсирующим маховиком применены магнитные рекуператоры энергии реверса.

Для цитирования:


Вечерковский А.Ф., Егоров П.Э., Милорадов А.Б., Филатов А.Б. Бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(4):49-57.

For citation:


Vecherkovskiy A.F., Egorov P.E., Miloradov A.B., Filatov A.B. Onboard scanning system for photodetector with time delay and charge accumulation. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(4):49-57. (In Russ.)

Введение

При формировании глобального поля обзора с высоким пространственным разрешением для мониторинга поверхности Земли наи­более перспективным на сегодняшний день представляется фотоприемное устройство (ФПУ), работающее в режиме временной за­держки и накопления (ВЗН) зарядов [1]. ФПУ с ВЗН осуществляет пространственно-временное преобразование информации, суть которого заключается в суммировании сигна­лов синхронно со сканированием и-фоточувствительных элементов, расположенных в на­правлении сканирования. Такое ФПУ требует высокой синхронизации считывания изобра­жения с перемещением поля зрения по фор­мируемому полю обзора с погрешностями не меньше единиц угловой секунды.

Подобная задача решается с помощью оптико-механической развертки системой ска­нирования плоским зеркалом, расположен­ным в параллельном ходе лучей. Развертка осуществляется из пространства предметов через оптическую систему в пространство изо­бражений на линейки ФПУ с ВЗН синхронно с их опросами.

К системам глобального обзора Земли можно отнести геостационарный отечествен­ный комплекс «Электро-Л» [2], разработан­ный для решения задач гидрометеорологии с реальным временем обновления информа­ции в 10-30 мин. При этом задачи компенса­ции кинетических моментов, возникающих от многозонального сканирующего устрой­ства, целиком возлагаются на систему стаби­лизации космического аппарата (КА), в резуль­тате чего происходит ее перегрузка. Наиболее близким по классу решения задачи является двухкоординатный Scanner глобального обзо­ра, разработанный в США для мониторинга поверхности Земли в составе SBIRS GEO [3]. Однако в ходе работы были выявлены вибра­ции (Jitter) с взаимными влияниями на сосед­ний оптико-механический канал Starer, что склонило разработчиков к отказу от его при­менения.

В данной статье показана возможность реализации сканера глобального обзора, соз­данного на отечественной элементной базе, для мониторинга поверхности Земли в целях национального контроля. При использовании широкоформатного ФПУ с ВЗН время полно­го обновления информации составляет 4,2 с, а погрешности сканирования - доли угловой секунды. При этом компенсация кинетическо­го момента от сканирующего зеркала удовлет­воряет требованиям КА.

Система сканирования

Блок-схема системы сканирования, включа­ющая оптико-механическое сканирующее устройство (сканер) и блок контроллеров управления зеркалом и компенсирующим ма­ховиком, имеющий резерв, показана на рис. 1.

 

Рис. 1. Блок-схема системы сканирования

 

Сканер обеспечивает развертку про­странства предметов на линейки ФПУ совместно с объективом посредством однокоор­динатного сканирования плоским зеркалом. Кинетический момент, вызванный поворо­том зеркала, компенсируется при установке маховика, вращающегося в противополож­ную сторону. Для синхронизации опроса ФПУ с движением сканирующего зеркала блок кон­троллеров управления сканером (рис. 2) фор­мирует синхроимпульсы начала кадра и на­правления сканирования.

 

Рис. 2. Блок контроллеров сканера

 

Сканирующее зеркало выполнено из по­лированного бериллия с коэффициентом отра­жения в рабочем спектре оптического излуче­ния не менее 0,9. Для лучшего отражения при использовании в ИК-диапазоне оно должно быть покрыто золотом. Зеркало базируется на трех точках опоры для равномерного распре­деления механических нагрузок по всему его объему и статической определенности. Яче­истая конструкция тыльной стороны зерка­ла служит для его облегчения, сохраняя при этом достаточную жесткость, необходимую для поддержания заданного качества зеркаль­ной поверхности.

Для контроля положения сканирующего зеркала в пространстве и синхронизации его движения со считыванием ФПУ сканер осна­щается бесконтактным дифференциальным интерферометрическим датчиком углового положения, построенным по схеме интерфе­рометра Майкельсона с лазерным источником излучения (далее - датчик зеркала). Его со­здание стало возможным благодаря появив­шемуся в последние годы высокостабильному лазерному излучателю космического исполне­ния [4].

Для исключения влияния кинетическо­го момента реверсивно сканирующего зерка­ла на КА на сканер устанавливается маховик компенсации, который вращается в противопо­ложную от движения зеркала сторону и имеет равный с зеркалом кинетический момент.

Jз ωз = JM ωM,                                                                                 (1)

где Jз - момент инерции зеркала с оправой;

ωз - угловая скорость вращения зеркала;

JM - момент инерции маховика компенса­ции;

ωM - угловая скорость вращения махо­вика.

При этом соблюдается условие коллине­арности осей вращения зеркала и маховика. Для контроля углового положения и текущей скорости маховика на него установлен бескон­тактный магнитоэлектрический инкрементный датчик. Он включает неподвижное кольцо, на которое намотана катушка для создания од­нородного магнитного поля в неподвижном кольце с зубцами на венце, и вращающееся зубчатое колесо, установленное на маховик. Полный угол датчика маховика составляет 360° с интерполированным инкрементом от­счета 30'. Благодаря однородному магнитному полю, создаваемому катушкой, погрешность датчика уменьшается в  раз, где f - коли­чество зубцов на венце датчика. Для рассматриваемого случая f = 180 и среднеквадратич­ное отклонение (СКО) погрешности датчика уменьшается в 13,4 раза.

Для обеспечения минимального времени переходного процесса после выхода из зоны реверса и обеспечения синхронного хода ска­нирующего зеркала используется специаль­ный моментный электродвигатель с высокой линейностью создаваемого момента и ма­лой электромагнитной постоянной времени tэм = 0,75 мс.

В целях повышения коэффициента по­лезного действия сканирования (отношение времени обзора к времени кадра) и снижения импульсного энергопотребления во время ре­верса основную энергию реверса принимают на себя магнитные рекуператоры. При этом выполняется условие энергетического балан­са между кинетической энергией Wk системы «маховик - зеркало» и магнитной энергией Wмаг рекуператоров

Wмаг ≥ Wк .                                                             (2)

Рекомбинация кинетических моментов зеркала и компенсирующего маховика проис­ходит в зоне реверса при смене знака вектора скорости зеркала и маховика на противопо­ложный. При этом моделирование остаточного (нескомпенсированного) кинетического мо­мента даже при наихудшем арифметическом сложении допусков конструкции кинематики сканера показывает, что его величина (рис. 3) не превышает требование КА на некомпен­сированный момент Мост ≤ 0,005 Н · м и гаран­тированно парируется системой стабилиза­ции КА.

 

Рис. 3. Моделирование Мост во времени при наихудшем сложении допусков конструкции кинематики сканера: 1, 2 - зоны реверса сканера

 

В рекуператорах, как и в двигателе, ис­пользуются магниты из NdFeB, покрытые ни­келем, для придания коррозийной стойкости, обладающие высокой удельной магнитной энергией ~360 кДж/м3.

Использование рекуператоров и мини­мизация остаточного кинетического момента требует выполнения не только равенства (1), но и равенства угловых моментов (3) с учетом отношения пройденных углов, моментов инер­ции зеркала и компенсирующего маховика K:

J3 α3 = JM αM,                                                          (3)

где αз - диапазон угла вращения зеркала; αм - диапазон угла вращения маховика.

В результате K = αм / α3 = J3 / Jm, в рас­сматриваемом случае K = 50.

Для контроля направления движения и диапазона перемещения зеркала и маховика используются бесконтактные концевые датчи­ки. Принцип их действия основан на эффекте Холла с использованием дифференциальных магнитных маркеров.

Требование равномерности развертки изображения выполняется жесткой привязкой положения зеркала, материализованного сиг­налами интерферометрического датчика зеркала и датчиками начала и конца скана, к сиг­налам опроса ВЗН ячеек ФПУ.

Описание конструкции сканера

Расположение сканирующего зеркала вблизи входного зрачка объектива обеспечивает ми­нимальные массогабаритные характеристики сканера. Минимальные габариты сканиру­ющего зеркала определяются минимальным размером входного зрачка объектива, обеспе­чивающего необходимое пространственное разрешение, отношение сигнал/шум и поле зрения.

Для разрабатываемого сканера была вы­брана функциональная схема, которая включа­ет сканирующее зеркало и маховик, закреплен­ные на двух коллинеарных осях и имеющие общий неподвижный корпус (рис. 4). Зеркало и маховик оснащены силовыми двигателя­ми и датчиками положения для управления их угловым перемещением. Между зеркалом и маховиком находится рекуператор энергии импульса. Здесь YZOX - система координат в плоскости наблюдения (поверхность Земли), в которой ось X является визирной осью КА, сканирование происходит вокруг оси Y, а Y'Z'O'X' - система координат в плоскости изо­бражения. Аналогичное устройство сканиро­вания описано в статьях [5, 6].

 

Рис. 4. Функциональная схема сканера:

XYZ - координаты в пространстве предметов; X'Y'Z' - координаты в пространстве изображений на ФПУ; 1 - сканирующее зеркало в оправе с креплением по трем точкам; 2 - магнитные рекуператоры; 3 - маховик, оснащенный инкрементным датчиком положения; 4 - концевые метки датчика маховика; 5 - неподвижная часть концевых меток маховика; 6 - направление сканирования; 7 - линейки ФПУ; 8 - объектив; 9 - отражательные элементы датчика зеркала; 10 - интерферометрический датчик углового положения зеркала; 11 - двигатель маховика; 12 - неподвижная часть концевых меток зеркала; 13 - концевые метки датчика начала и конца скана зеркала; 14 - неподвижная часть двигателя зеркала; 15 - подвижная часть двигателя зеркала

Сканер включает в себя неподвижный корпус и зеркало 1 в оправе, установленной на корпусе посредством подшипникового узла с керамическими подшипниками. Корпус выполнен из термостабильного материала, обе­спечивающего стабильное положение зеркала относительно объектива. На нем установле­на неподвижная часть 14 двигателя зеркала, подвижный компенсационный маховик 3, ос­нащенный инкрементным датчиком положе­ния, бесконтактный инкрементный дифферен­циальный интерферометрический датчик 10 углового положения зеркала, а также непод­вижные части 12 и 5 концевых датчиков зер­кала и маховика.

На оси маховика установлен моментный двигатель 11, магнитная система реку­перации 2, а также концевые метки 4 датчика маховика.

Зеркало крепится к оправе на трех точ­ках, на которую устанавливается подвижная часть 15 двигателя зеркала, ответная часть магнитной системы рекуперации 2, концевые метки 13 датчика начала и конца скана зеркала и отражательные элементы 9 интерферометри- ческого датчика положения зеркала.

Отраженные от сканирующего зеркала 1 лучи, проходя объектив, в процессе сканирова­ния перемещаются в пространстве изображе­ний по неподвижным линейкам 7 ФПУ

Временная диаграмма движения зеркала (рис. 5) содержит участки равномерного дви­жения зеркала, разделенные зонами реверса, в которых вектор скорости зеркала меняется на противоположный.

 

Рис. 5. Временные параметры углов сканирования зеркала с кадровой синхронизацией:

КСИ - кадровый синхроимпульс на ФПУ; НС - сигнал направления сканирования

 

Для стабилизации частоты и обеспечения рабочей температуры лазерного излучателя интерферометрического датчика зеркала в нем используются элементы Пельтье, на которых установлены кристалл лазера и брегговская ре­шетка. Также для исключения переохлаждения на корпусе интерферометрического датчика находится нагревательный элемент.

Количество интерференционных полос определяет угловой период инкремента датчи­ка зеркала, и оно рассчитывается по формуле

N = sin(α3)2S / λ,                                                  (4)

где S - расстояние между вершинами уголко­вых отражателей (13,5 мм);

λ - длина волны излучения лазера (852 нм).

В результате получаем N = 3324 отсчета на ±3°, при этом один отсчет датчика угла со­ответствует 6,5 угл. с.

Совмещение сканирования с периодом опроса ФПУ обеспечивается схемой косвенной синхронизации с синтезом программной ча­стоты, период которой кратен отсчету датчика угла и определяется номинальной скоростью сканирования, необходимой для обеспечения режима ВЗН. Сигнал для управления двига­телем зеркала формируется фазовым дискри­минатором, функциональная схема которого приведена на рис. 6.

 

Рис. 6. Функциональная схема фазового дискриминатора

 

Синтезатор программной частоты фор­мирует импульсы, поступающие на счетчик программного угла с периодом, равным 1/1024 отсчета датчика угла при номинальной скоро­сти сканирования. Сброс счетчика осущест­вляется кадровым синхроимпульсом, который также направляется на ФПУ Таким образом, на выходе счетчика программного угла формируется линейно-нарастающий код угла с ценой деления младшего разряда, равной 1/1024 от­счета датчика угла, т. е. 0,00635 угл. с.

Код фактического угла формируется пу­тем объединения кода счетчиков старших раз­рядов (отсчеты датчика угла) и младших. Счет­чик младших разрядов формирует линейно нарастающий код угла, но сбрасывается в ноль по положительному фронту сигнала отсчета датчика угла.

Сигнал ошибки вычисляется как разность кодов программного и фактического угла с частотой получения отсчета датчика угла при номинальной скорости сканирования. Постро­енный по такому принципу фазовый дискрими­натор определяет отставание или опережение фазы отсчета датчика угла от программно­го угла и имеет линейную характеристику с разрешением в 0,00635 угл. с, что позволяет уверенно обеспечивать сканирование с СКО погрешности 3δ ≤ 0,5 и соответственно δ ≤ 0,17 угл. с. Диаграмма работы фазового дис­криминатора приведена на рис. 7.

 

Рис. 7. Диаграмма работы фазового дискриминатора (Лог. «1» - уровень логической единицы.

1 квант ~ 0,00635 угл. с):

1 - фактический угол; 2 - программный заданный угол; 3 - фактический отсчет датчика угла; 4, 5 - отставание и опережение программного угла в квантах погрешности

 

Результаты измерений характеристик сканера

В результате измерений были определены следующие характеристики:

В ходе испытаний была измерена крутиз­на (амплитуды ЭДС Холла от угла) для конце­вого датчика зеркала с предварительным деся­тикратным усилением - 0,7 мВ/угл. с (рис. 8).

 

Рис. 8. Характеристика концевой метки зеркала

 

Также были оценены зависимости мо­мента силы магнитного рекуператора от угла в динамике для сканирующего зеркала (рис. 9). Исходя из отношения кинетической энергии W3 зеркала и работы A3, совершаемой зерка­лом:

где M - момент силы, необходимый для ре­верса движения зеркала;

αр - угол реверса зеркала;

α0 - начальный угол взаимодействия маг­нитов рекуператора зеркала;

α - угол взаимодействия магнитов реку­ператора зеркала, получаем соотношение

Jзω2з/2 = Μ(αр0).                                                   (8)

Отсюда момент силы реверса

M = (Jзωз2/2)/(αр0).                                                 (9)

 

Рис. 9. Зависимость момента силы от угла зеркала в зоне реверса при взаимодействии магнитов рекуператора;

R - точка, в которой происходит реверс движения зеркала

 

Заключение

В результате проделанной работы на основе отечественной базы был создан прецизион­ный однокоординатный сканер космического базирования (рис. 10), сканирующий плоским зеркалом в параллельных лучах пространства предметов с погрешностями сканирования в десятые доли угловой секунды. Получить такие погрешности позволяет созданный интерферометрический датчик определения углового положения зеркала [7], обеспечи­вающий высокое угловое разрешение в про­странстве благодаря стабилизированному ко­герентному источнику излучения.

После преобразования пространства предметов посредством оптической системы в пространство изображений была произве­дена синхронная с временными опросами ли­неек ФПУ развертка пространства изображе­ний, позволяющая получить высокое качество кадра поля обзора.

 

Рис. 10. Вид сзади (а) и сбоку (б) устройства прецизионного однокоординатного сканера космического базирования:

1 - датчик зеркала; 2 - рекуператор; 3 - сканирующее зеркало; 4 - маховик; 5 - резервный двигатель зеркала; 6, 7 - метки конца и начала скана зеркала с резервированием; 8 - основной двигатель зеркала; 9 - предварительные усилители датчиков положения; 10 - концевые метки; 11 - датчик маховика

 

Минимизация механического воздей­ствие на КА от прецизионного однокоорди­натного сканера космического базирования обеспечивается кинетической компенсацией сканирующего зеркала специальным махови­ком. Сокращение импульсного энергопотре­бления и времени реверса происходит за счет магнитных рекуператоров.

Список литературы

1. Бочков В. Д., Дражников Б. Н., Кузнецов П. А., Козлов К. В., Соляков В. Н. Пространственно-временное преобразование информации в многорядных матричных ФПУ // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 1. С. 71–76.

2. Ильин А. «Электро-Л»: три года в строю // Новости космонавтики. 2014. Т. 2. № 03. С. 44–46.

3. Status of the Space Based Infrared System Program // Report to the Defence and Intelligence Committees of the Congress of the United States. March 2005. P. 6.

4. Журавлёва О. В., Иванов А. В., Леонович А. И., Курносов В. Д., Курносов К. В., Чернов Р. В., Шишков В. В., Плешанов С. А. Одночастотный лазер с подстройкой длины волны для накачки цезиевых стандартов частоты // Квантовая электроника. 2006. № 38 (8). С. 741–744.

5. Медушев С. В., Ремизов В. Е., Шичков В. В. Перспективные варианты построения программируемого двухкоординатного привода сканирующего зеркала // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2008. Т. 107. С. 32–37.

6. Вевюрко И. А., Медушев С. В., Ремизов В. Е., Стома С. А. Прецизионный электропривод с интерферометрическим измерителем перемещений и цифровым программным управлением // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 1985. Т. 78. С. 5–33.

7. Вечерковский А. Ф., Егоров П. Э., Милорадов А. Б. Устройство для измерения угловых перемещений объекта. Пат. Российской Федерации № 2601530. Опубл. 10.11.16, Бюл. 31. 9 с.


Об авторах

А. Ф. Вечерковский
ОАО «Корпорация «Комета»
Россия

Вечерковский Александр Федорович – ведущий инженер филиала

Область научных интересов: оптика, механика, электромеханика, магнетизм.

г. Санкт-Петербург



П. Э. Егоров
ОАО «Корпорация «Комета»
Россия

Егоров Петр Эдуардович – ведущий инженер-электроник филиала

Область научных интересов: электроника, лазерная техника.

г. Санкт-Петербург



А. Б. Милорадов
ОАО «Корпорация «Комета»
Россия

Милорадов Алексей Борисович – ведущий инженер-конструктор филиала

Область научных интересов: оптика, точная механика, технологии.

г. Санкт-Петербург



А. Б. Филатов
ОАО «Корпорация «Комета»
Россия

Филатов Алексей Борисович – инженер второй категории филиала

Область научных интересов: оптика, лазерная техника.

г. Санкт-Петербург



Для цитирования:


Вечерковский А.Ф., Егоров П.Э., Милорадов А.Б., Филатов А.Б. Бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(4):49-57.

For citation:


Vecherkovskiy A.F., Egorov P.E., Miloradov A.B., Filatov A.B. Onboard scanning system for photodetector with time delay and charge accumulation. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(4):49-57. (In Russ.)

Просмотров: 41


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)