3.3. Оптическая система телескопа «Сова-25»- 12

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Министерство общего и профессионального образования РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Н.Э.БАУМАНА»

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедры РЛ2

Барышников Н.В.

Отчет

по эксплуатационной практике

по теме: «»

С.Н. Горчаковский

А.С.Уланова

Москва,2014

РЕФЕРАТ

Отчет 27 стр., 13 рис., 4 табл., 4 источника.

АВИОНИКА, ГЛОНАСС, ОБЪЕКТИВ, ТЕЛЕСКОП, ДИСТОРСИЯ, ЛАЗЕРНАЯ СЕТЬ, ВИНЬЕТИРОВАНИЕ

Объектом исследования является телескоп «Сова-25» для построения изображений объекта контроля в фокальной плоскости.

Цель работы – закрепление и углубление теоретических знаний, полученных в университете, а также приобретении практических навыков по эксплуатации и экспериментальным исследованиям оптико-электронных и лазерных систем, устройств, стендов.

В процессе работы проводилось изучение устройства «Сова-25», знакомство с принципом действия данного прибора, правилами и особенностями эксплуатации.

В результате были приобретены навыки по проведению лабораторных испытаний лазерных систем, получены знания о методиках проверки и регулировки оптико-электронных приборов на основе телескопа «Сова-25».

Содержание

Нормативные ссылки- 4

Введение- 5

1. Оценка современного состояния и перспектив развития оптико-электронной промышленности- 6

2. Структура предприятия, основное производство- 7

3. Принцип действия, правила и особенности эксплуатации, конструктивные особенности объектива «Сова-25»- 11

3.1. Введение- 11

3.2. Исходные требования к телескопу- 11

3.3. Оптическая система телескопа «Сова-25»- 12

3.4. Качество изображений- 15

3.5. Виньетирование света- 16

3.6. Дисторсия- 17

3.7. Пропускание света- 18

3.8. Устранение прямой засветки- 19

3.9. Заключительные замечания- 20

4. Климатические испытания фокусировочного устройства телескопа «Сова-25»- 21

5. Приспособление для закрепления телескопов «Сова-5», «Сова-25», «Сова-75» на установке- 23

Заключение- 26

Список источников---------------------------------------------------------------------------------------------------------------27

Нормативные ссылки

ГОСТ 8.207-76

Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения

ГОСТ 15114-78

Системы телескопические для оптических приборов.

ГОСТ 15150-69.

Исполнение для различных климатических районов

ГОСТ 12.0.001-82

Система стандартов безопасности труда. Основные положения

ГОСТ 12.0.005-84

Система стандартов безопасности труда. Метрологическое обеспечение в области безопасности труда

ГОСТ 2.601-95

Эксплуатационные документы

Введение

События современного мира для оптико-электронной техники диктуют жесткие условия, т.к. оптико-электронные приборы играют важную роль в жизни общества. Они широко используются во многих отраслях деятельности человека и требуют постоянного усовершенствования и применения новейших российских и зарубежных технологий.

Одной из актуальных проблем в настоящее время является создание сети для отслеживания и получения изображений космических аппаратов и объектов.Особое значение приобретает данный вопрос в связи с развитием Российской спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС.

Социальная значимость темы определяется потребностью современной России в разработке и использовании собственных лазерных сетей для получения и дальнейшей обработки информации о космических объектах.

Цель работы - рассмотрение одного из телескопов Алтайского оптико-лазерного центра объектива «Сова-25», знакомство с принципом его действия и особенностями эксплуатации. Изучение методик проверки и обнаружения неисправностей, юстировки и регулировки оптико-электронных систем.

Методологической основой исследования явились технологическая документация, отраслевые стандарты, технические требования

1. Оценка современного состояния и перспектив развития оптико-электронной промышленности

Оптические, оптико-электронные и лазерные приборы играют важную роль в жизни современного общества, они широко используются в научных исследованиях, в системах волоконной оптической связи, в системах обработки и хранения массивов информации, в системах оптической локации и мониторинга окружающей среды, в видео и аудиотехнике (лазерные проигрыватели, лазерные диски, лазерные принтеры). С помощью оптических приборов изучают физические свойства космического пространства и познают микромир, наблюдают живые биологические объекты и измеряют с наивысшей точностью геометрическую форму и перемещение объектов. Оптические приборы являются основой систем передачи, обработки и преобразования изображений, применяются для преобразования невидимого глазом человека слабого светового, инфракрасного и ультрафиолетового излучения в приборах ночного и технического видения, предназначены для передачи и переработки информации в ЭВМ, в системах коммуникации и другой аппаратуре с применением волоконной оптики, используются в медицине как для диагностики, так и для терапии и хирургии, установлены на космических аппаратах для осуществления их ориетации и навигации, а также исследований Земли и Космоса, используются для зондирования атмосферы и океана с экологическими и метеорологическими целями; работают в системах охраны.

Оптические наземные и космические телескопы, спектральные, измерительные, фотографические, медицинские и многие другие приборы имеют уже сегодня предельно высокие характеристики.

Оптико-электронные приборы и системы - область техники, которая включает совокупность средств и методов человеческой деятельности, связанных с разработкой, изготовлением, исследованием и эксплуатацией оптических приборов, устройств и систем.

Оптико-электронные приборы представляют собой системы самой передовой и высокой технологии. Они работают сейчас и имеют большие перспективы в будущем.

В настоящее время оптико-электронные приборы и системы играют большую роль в технике, зачастую определяя принципы работы тех или иных технических комплексов и аппаратуры. Оптико-электронные приборы и системы сегодня бурно развиваются, и именно с ними современные ученые и инженеры-оптоэлекронщики связывают перспективы развития техники и технологий в третьем тысячелетии. На основе оптико-электронных приборов будут в недалеком будущем создаваться целые вычислительные комплексы с немыслимым ныне быстродействием. Также следует ожидать внедрения оптико-электронных приборов в средства коммуникаций и связи. Этому способствуют немалое число сделанных в последнее время открытий и разработок в области оптико-электронных устройств, свойств материалов и эффектов.

2. Структура предприятия, основное производство

Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» - это предприятие, на котором проходила наша практика. За этот месяц, который мы проработали на нем, мы окунулись в атмосферу оптико-электронных и лазерных приборов для разных сфер деятельности.

Данное предприятие занимается разработкой, производством, испытаниями, сертификацией, реализацией, модернизацией, обслуживанием, ремонтом и эксплуатацией систем прецизионного приборостроения, таких как:

ü высокоточные бортовые космические дальномеры;

ü наземные и космические лазерные системы связи;

ü оптико-локационные станции для авиационных летательных аппаратов;

ü полигонные оптико-электронные и радио-оптические измерительные системы;

ü аппаратно-программные комплексы сбора, обработки и анализа информации;

ü приборы и комплексы предупреждения чрезвычайных ситуаций и контроля загрязнения атмосферы;

Одним из основных направленийработы предприятия является авионика. Этосовокупность всех электронных систем, разработанных для использования в авиации в системе управляющего и навигационного комплексов самолета. Например, системы коммуникации, навигации, отображения и управления различными устройствами – от сложных(например, оптико-электронного радара) до простейших (например, поискового прожектора полицейского вертолета).[1] ОАО «НПК СПП» ведет разработку бортовых авиационных систем для самолёта Су-35. Оптико-локационная станция ОЛС-35, которая обеспечивает обзор в передней полусфере самолета воздушного пространства, земной и водной поверхности; поиск, обнаружение, захват и автосопровождении, определение угловых координат и дальности до воздушных, наземных и наводных целей (ВЦ, НЦ, НВЦ) в среднем ИК(3…5 мкм) и видимом диапазонах длин волн; обнаружение, захват, сопровождение и определение углового положения пятна внешнего лазерного подсветчика; лазерный подсвет целей для самолетов МиГ-29К/КУБ, МиГ-29М/М2, МиГ-35. Разработана и выпускается оптико-локационная станция ОЛС-УЭ, которая обеспечивает обзор в передней полусфере самолета воздушного пространства, земной и водной поверхности, поиск, обнаружение, захват и автосопровождение, определение угловых координат и дальности до воздушных, наземных и надводных целей в среднем ИК и видимом диапазонах длин волн; лазерный подсвет целей.

Второе важное направление, которое сейчас активно развивается – эторабота ОАО "НПК "СПП" в рамках ФЦП "Глобальная навигационная система". В том числе:

ü Создание Системы апостериорного высокоточного определения эфемерид и временных поправок системы ГЛОНАСС. Эта система предназначена для расчета и представления высокоточных эфемерид и частотно-временных поправок к бортовым шкалам времени навигационного космического аппарата (НКА) ГЛОНАСС.Источником для расчета высокоточных эфемерид и частотно-временных поправок к бортовой шкале времени (БШВ) НКА являются измерения глобально распределенной по поверхности Земли сети беззапросных измерительных станций, измерения сети станций радиотехнических средств сверхдлинной базы (РСДБ) и квантово-оптических систем (КОС) (данные российских и международных сетей лазерной дальнометрии спутников). В результате расчетов формируются таблично представляемые высокоточные эфемериды и частотно-временные поправки к БШВ НКА, описывающие положение спутников ГЛОНАСС в пространстве и времени.

ü Создание прикладного потребительского Центра и системы информационного обмена потребителей Минобороны России и специальных пользователей (ППЦСИО МО) ГЛОНАСС. Оно осуществляется в интересах обеспечения специальных потребителей информацией о текущем и прогнозируемом состоянии космических навигационных систем в целях ее использования при планировании, оперативном управлении их деятельностью и применением специальной техники, а так же внедрения спутниковых навигационных технологий в техническое обеспечение обороны страны.

ü Создание системы контроля целевых характеристик (СКЦХ) глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, которая предназначена для контроля энергетических характеристик навигационных сигналов, целостности и доступности системы, точности навигационного поля.

ü Создание Российской системы определения параметров вращения Земли на базе станций РСДБ, в рамках которой определения параметров вращения Земли (ПВЗ) создается сегмент, предназначенный для надежного обеспечения НКУ ГЛОНАСС и других гос. потребителей данными о ПВЗ на основе комбинированной обработки внегалактических радиоисточников, комплексирования измерений средств РСДБ и средств НКУ ГЛОНАСС.

ü Создание межспутниковой лазерной навигационно-связной системы (МЛНСС).

Третьим важным направлением в ОАО "НПК "СПП" является создание Российской сети и станций контроля космического пространства.Эти станции используются для решения задач наземного автоматизированного комплекса управления группировкой отечественных космических аппаратов (КА). В целом, эти станции обеспечивают проведение следующих видов первичных измерений:

ü поиск и обнаружение космических объектов (КО) по отражённому солнечному излучению;

ü измерение угловых координат КО, в том числе астрометрическим методом (по отношению к опорным звёздам);

ü измерение фотометрических параметров (сигнатур) по отражённому солнечному излучению и их изменений во времени;

ü измерение дальности до космических аппаратов с использованием лазерного локатора;

ü получение видовой информации (изображений КО) с применением адаптивных оптических систем.

В максимальной комплектации российские оптико-электронные станции имеют в своём составе четыре измерительных канала: дальномерный, угломерный, фотометрический и адаптивный для получения детальных изображений КА. Кроме того, в составе станций имеется метеоаппаратура, предназначенная для определения параметров атмосферы и коррекции результатов измерений по условиям распространения сигналов и аппаратура единого времени.

Таким образом, каждая оптико-локационная станция выполняет не одну, а несколько задач в интересах российских космических программ.

За время практики мы узнали об одной из таких станций, которая расположена в Змеиногорском районе Алтайского края и называется Алтайский оптико-лазерный центр. По количеству ясной погоды АОЛЦ занимает одно из лучших мест на территории РФ с количеством ясных ночных часов в году - 1400, количеством ясных ночей в году 160, а с учетом полуясных ночей, пригодных для наблюдения КО, количество рабочих ночей около 240, с примерно равным распределением зимой и летом. На рисунке 2.1 изображена модель алтайского оптико-лазерного центра.

Рисунок 2.1.

Алтайский оптико-лазерный центр (АОЛЦ) состоит из двух наземных оптико-лазерных систем (НОЛС) и объектов инфраструктуры. Первая НОЛC с телескопом траекторных измерений, имеющим диаметр главного зеркала 0,6 м и лазерным дальномером, работающим по космическим аппаратам Lageos, ГЛОНАСС и другим, оснащённых лазерными ретрорефлекторами, введена в эксплуатацию 2004 году вместе с объектами инфраструктуры. НОЛС ТТИ используется для траекторного и фотометрического контроля на этапах запуска и выведения на целевые орбиты, в том числе – на геостационарные, новых КА, а также для контроля развёртывания и функционирования КА на орбитах. Вторая НОЛС будет иметь оптический телескоп с диаметром главного зеркала 3,12 м. Система будет использоваться, в основном, для получения детальных изображений низкоорбитальных КА. АОЛЦ в целом предназначен для решения широкого круга задач, связанных с использованием и исследованием космического пространства, в том числе, решаемых Федеральным космическим агентством в рамках деятельности Межагентского координационного комитета по космическому мусору: обнаружение и определение координат фрагментов космического мусора в целях предупреждения об опасных сближениях этих фрагментов с действующими аппаратами, в том числе с МКС. Для того, чтобы обнаружить КА на этой станции будут установлены три вида телескопов «СОВА - 5», «Сова - 25», «Сова - 75». В нашей работе мы рассматривали телескоп «Сова - 25». На рисунке 2.2. показан внешний вид модуля для обнаружение НОКО.

Рисунок 2.2 - Внешний вид модуля для обнаружения НОКО.

3. Принцип действия, правила и особенности эксплуатации, конструктивные особенности объектива «Сова-25»

3.1. Введение

Данный объектив предназначен для построения изображений участков неба в фокальной плоскости, для исследования небесных объектов в видимом ближнем инфракрасном диапазонах спектра в пределах углового поля зрения 10°. На рисунке 3.1 представлен внешний вид телескопа «Сова-25».

Рисунок 3.1 - Внешний вид телескопа «Сова-25».

3.2. Исходные требования к телескопу

Данный объектив предназначен для построения изображений объекта контроля в фокальной плоскости. При заданном диаметре входного зрачка телескопа - 250 мм - основное требование заключалось в обеспечении высокого качества изображений в пределах исключительно широкого поля зрения. Предполагается, что в качестве приемника излучения будет использоваться прибор с зарядовой связью (ПЗС) с диагональю 71 мм и пикселами размером 24˟24-мкм. Основным требованием является получение плоского поля зрения, среднеквадратическим диаметром изображения в интегральном свете не более ~20 мкм, а промежуток между последним оптическим элементом и фокальной плоскостью (задний отрезок) был достаточно велик. Сводка исходных требований к телескопу представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Требования к телескопу Сова-25.

3.3. Оптическая система телескопа «Сова-25»

Телескоп Сова-25 (рисунок 3.1) рассчитан согласно новой оптической схеме. Плоское поле зрения диаметром 10° достигается в ней при использовании только сферических поверхностей и простых марок оптического стекла. Ниже описана версия оптической системы для ассортимента стекол фирмы Schott.Система компактна. Внутреннее пространство трубы телескопа может быть изолировано от внешней среды; это свойство весьма полезно как для обеспечения стабильно высокого качества изображений, так и в плане практического использования телескопа.

Общие характеристики рассчитанной схемы телескопа даны в таблице 3.1. Для того, чтобы телескоп приняли необходимо выполнить данные требования. Проводятся приемо-сдаточные испытания. Как показывает сопоставление таблиц 3.1 и 3.2, все исходные требования к системе выполнены.

Таблица 3.2 - Общие характеристики телескопа.

Таблица 3.3 - Параметры оптической системы.

Как уже отмечалось выше, все поверхности имеют сферическую форму. Две большие линзы входного корректора изготавливаются из стекла SchottN-BK7, пришедшего на смену стеклу SchottBK7 (отечественный аналог - К8). Выходной дублет изготавливается из стекол SF2 и SF4 той же фирмы. Температурные коэффициенты расширения двух последних стекол близки: соответственно 8.4-10^-6 и 8.0-10^-6. Стекла SF2 и SF4 лишь в 2.5 раза дороже базового стекла N-BK7. Таким образом, оптическая система телескопа включает в себя наиболее доступные и дешевые марки стекол, относящиеся, вместе с тем, к группе наиболее устойчивых при эксплуатации сортов. В качестве окна детектора обычно применяется плавленый кварц; при расчетах подразумевался материал FusedSilica каталогов MISC или INFRARED фирмы ZEMAX. Положение, толщина и материал окна детектора могут заметно изменяться без ухудшения качества изображений.

Центральное отверстие в главном зеркале диаметром 102.0 мм обеспечивает свободное прохождение полезного света к детектору. Размещение вторичного зеркала на задней поверхности второй линзы корректора устраняет необходимость установки растяжек, а также уменьшает массу системы и потери света.

3.4. Качество изображений

В тех случаях, когда качество оптических изображений не является сугубо дифракционным, принято характеризовать его с помощью точечных диаграмм - картин пересечения воображаемыми световыми лучами фокальной поверхности для звездообразного объекта наблюдений. Точечные диаграммы телескопа Сова-25 показаны на рисунке 3.2. Как видно, в интегральном свете размер изображений звезды не превосходит примерно 20 мкм; точные значения указаны в таблице 3.2. Естественно, при использовании светофильтров качество изображений будет выше.

Рисунок 3.2 - Точечные диаграммы телескопа Cова-25 в интегральном свете 0.45 - 0.85 мкм для значений полевого угла 0; 2°.0; 3°.5 и 5°.0.Вверху каждого квадрата указан полевой угол точечного источника, внизу - координаты изображения на детекторе.

Сторона квадрата соответствует 24 мкм.

Широко используемый в астрономии способ описания качества изображений основан на вычислении доли энергии E(R) в изображении звезды, которая содержится в пределах кружка данного радиуса R. Функция E(R), рассчитанная с учетом дифракции света для всего спектрального диапазона, представлена на рисунке 3.3 при различных значениях полевого угла. Радиус R₈₀, в пределах которого сосредоточено 80% энергии, не превосходит 10.8 мкм = 5".4, а соответствующее значение диаметра круга D₈₀ = 2*R₈₀составляет 21.6 мкм = 10".8. При вычислении параметра D₈₀ сказываются слабые крылья дифракционного изображения; столь же часто используемая характеристика качества изображений - среднеквадратическое значение диаметра изображения звезды в полихроматическом свете - не превосходит 16.3 мкм = 8".2 вплоть до края поля зрения.

Рисунок 3.3 - Интегральное распределение энергии в изображении точечного источника для значений полевого угла 0, 2°, 3°.5 и 5° По оси абсцисс указан радиус круга около центроида изображения (мкм), по оси ординат - доля светового потока в пределах данного радиуса. Уровень 80-процентной доли энергии отмечен горизонтальной прямой.

Важной особенностью оптической системы Сова-25 является то ,что качество изображений пренебрежимо мало изменяется при смещении длинноволновой границы спектрального диапазона вплоть до ~1.5 мкм.

3.5.Виньетирование света

При 10-градусном поле зрения можно было ожидать весьма значительного виньетирования света в телескопе, однако эту величину удалось сделать приемлемой. Рисунок 5.1 показывает изменение доли невиньетированных лучей вдоль поля зрения. В центре поля остаются невиньетированными 65.2 % лучей, а на краю поля - 44.1 %. Соответственным образом изменяется эффективный (эквивалентный) диаметр телескопа: от 202 мм в центре поля зрения до 166 мм - на его краю.

Рисунок 3.4 - Доля невиньетированных лучей в зависимости от полевого угла.

3.6.Дисторсия

Рисунок 3.5 иллюстрирует дисторсию протяженного изображения на длине волны 0.65 мкм. Как видно, дисторсия невелика. Ее максимальное значение, а именно 0.36 %, достигается на краю поля зрения. Данные для других длин волн аналогичны.

Рисунок 3.5 - Дисторсия изображения на примере сетки с квадратными ячейками

При современных методах обработки изображений дисторсия не представляет опасности,поскольку характер дисторсии в пределах поля зрения не изменяется со временем, ее нетрудно учесть уже в ходе первичного анализа данных.

3.7.Пропускание света

На рисунке 3.6 показан коэффициент пропускания оптики телескопа в условиях, когда на поверхности нанесены просветляющие покрытия в виде слоя MgF₂ толщиной Х/4 (Х = 0.65 мкм). При изменении длины волны от 0.45 мкм до 0.85 мкм коэффициент пропускания варьирует в пределах 0.72 - 0.80. Эти значения следует считать вполне приемлемыми, поскольку при использовании современных многослойных покрытий, рассчитанных на широкий спектральный диапазон, достигается более высокое пропускание оптики.

Рисунок 3.6 - Зависимость коэффициента пропускания оптики телескопа от длины волны при нанесении слоя MgF₂ толщиной Х/4 на поверхности линз.

3.8.Устранение прямой засветки

При столь широком поле зрения, которое обеспечивается в телескопе Сова-25, все пространство между главным и вторичным зеркалами заполнено световыми пучками от объектов (рисунок 3.7), так что обычно применяемые отсекатели прямого света в форме усеченных конусов внесут нежелательно большое экранирование полезного света. В этих условиях устранение прямой засветки детектора может быть достигнуто путем удлинения входной бленды до 500 мм. Диаметр входного отверстия бленды B (см. рисунок 3.7) составляет 338.0 мм, а выходного отверстия, совпадающего с апертурной диафрагмой телескопа AS, равен 250.0 мм. Между двумя крайними диафрагмами B и AS следует поместить несколько промежуточных диафрагм, охватывающих конический пучок света. Внутреннюю поверхность бленды желательно сделать пористой.

Рисунок 3.7 - Ход лучей в телескопе, снабженном блендой.

3.9. Заключительные замечания

Оптическая система телескопа Сова-25 представляет собой дальнейшее развитие модифицированной системы Рихтера-Слефогта. Модификация увеличивает диаметр поля зрения на порядок величины - до 5°-6°. В модифицированных системах обычно используется ньютоновский вынос изображения. При этом весьма эффективно решается проблема прямой засветки, однако реализация углового поля зрения диаметром порядка 10° сопряжена с чрезмерно большим центральным экранированием полезного света. Описанное здесь дальнейшее развитие системы предполагает кассегреновский вынос фокальной плоскости. Это позволило получить поля зрения, ранее доступное только вариантам камеры Шмидта, однако в нашей системе все поверхности - сферы. Очевидно, это обстоятельство не только существенно снижает трудности при изготовлении системы и ее стоимость, но и обеспечивает гладкость поверхностей, что уменьшает уровень рассеянного света и тем самым повышает контраст изображений.[2]

Выводы:

1. Оптическая схема телескопа «Сова-25» обладает высоким качеством изображения в заданном спектральном диапазоне для заданных угловых полей, малыми габаритами, массой и по своим техническим характеристикам полностью соответсвует требованиям технического задания.

2. Все оптические детали телескопа «Сова-25» имеют сферическую форму и выполнены из оптических марок стекла, изготавливаемых отечественными производителями. В случае необходимости возможно применение оптических материалов и марок стекла зарубежных фирм OHARA, SHOTT с последующим пересчетом конструктивных параметров.

3. Телескоп «Сова-25» имеет достаточный запас по качеству изображения, что дает уверенность в реализации прогнозируемых технических характеристик в опытных образцах.

4. Климатические испытания фокусировочного устройства телескопа «Сова-25»

Климатические испытания фокусировочных узлов телескопа «Сова-25А» с нагрузочным имитатором линзового блока были проведены 4,5 и 6 декабря 2012 года на ОЭЗ «ОАО НПК «СПП» в климатической камере типа CH250C.

Ниже приведена программа проведения испытаний:

1.Проверка работоспособности фокусировочного узла при нормальной температуре (22° ÷ 25°С).

2.Охлаждение от +25 ̊С до 0 ̊С за время 2ч.