Registration and evaluation of micrometeorod parameters using the effect of micrometeoroids interrupting a light curtain of multiple re-reflected optical rays

Full Text

Введение

В работах [1, 2] предложен вариант базовой оптико-электронной информационно-измерительной системы (ИИС) регистрации и контроля параметров движения микрометеороидов, построенной на эффекте прерывания оптических лучей, формирующих плотную световую завесу. В основу системы положена конструкция, которая представляет собой две параллельные светоотражающие плоские поверхности и наборы узконаправленных светоизлучателей и фотоприемников. Система оснащена микроконтроллером, линиями задержек и сумматорами, которые реализуют заданный алгоритм функционирования и производит аналого-цифровое преобразование сигналов с выходов фотоприемников с последующей цифровой обработкой. Светоизлучатели сфокусированы и ориентированы таким образом, чтобы создать зигзагообразный световой рисунок в плоскостях, ориентированных перпендикулярно плоскостям отражающих поверхностей и вектору ожидаемой траектории движения микрометеороидов. Фотоприемники регистрируют в заданных точках наличие и изменение амплитуды сигнала. Достоинством такой ИИС является простота конструкции, высокие надежность и быстродействие. Вместе с тем предложенная ИИС не учитывает ряд особенностей, связанных с ограничениями электронной компонентной базы, а также сложностями создания и особенностями функционирования прецизионных конструкций зеркальных поверхностей, матриц светоизлучающих и фотоприемных устройств [3, 4]. Для определения задач по улучшению потребительских и метрологических качеств системы в статье представлен вариант системы, учитывающий возможные ограничения значения коэффициента отражения зеркальных поверхностей.

Базовая модель системы

В базовой модели устройства ИИС предполагается, что в нее входят только «идеальные» устройства и материалы. В частности, неплоскостность зеркальной поверхности g=0, коэффициент отражения k_отр=1.

Структурная схема базовой системы приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Структурная схема базовой ИИС

 

Матрица оптических излучателей состоит из светодиодов с фокусирующей линзой, создающей световую плоскость, которая принимается фотоприемной матрицей. Микрометеороидное тело, пересекая световую завесу, вызывает изменение сигнала на чувствительном элементе, что приводит к изменению напряжения на выходе сумматора, вызванному отличающимся уровнем сигналов на входе сумматора, поступающих с выходов фотоприемников и линии задержки. Количество завес может варьироваться от одной до n.

Например, для времени пролета объекта через четыре световые завесы примем значения T₁ – T₄ соответственно. Используя данные о времени, получим следующие соотношения:

$\alpha =arctg\left(\frac{K-\sin \phi }{-\cos \phi }\right)$, (1)

$V=\frac{L_1}{\left(T_2-T_1\right)}\frac{1}{\cos \left(\alpha \right)}=\frac{L_2}{\left(T_4-T_3\right)}\frac{1}{\cos (\phi +\alpha )}$, (2)

где $\alpha$ – угол наклона вектора скорости по отношению к плоскости расположения светодиодов, $\phi$ – угол наклона плоскостей третьей и четвертой систем, $V$ – модуль проекции вектора скорости, $K=\frac{T_2-T_1}{T_4-T_3}$; $L_1$, $L_2$ – расстояние между соседними параллельными плоскостями (для простоты предлагается брать расстояния равными).

Для определения точных координат фиксации необходимо произвести расчет исходя из временных отметок исследуемого объекта на первой и третьей системе.

Тогда:

$\Delta l=V(T_3-T_1)\times \cos \left(\alpha \right)$, (3)

где $\Delta l$ – длина от нормали к плоскости первой системы до точки пересечения исследуемого объекта третьего элемента системы.

Зададимся следующими характеристиками системы: $\omega$ – расстояние между параллельными элементами устройства (первой и второй системой и третьей и четвертой).

Исходя из вышеизложенного можно определить координаты пересечения двух световых плоскостей (первой и третьей) по оси расположения систем исследуемыми объектами:

$\Delta x=(\Delta l-2\omega )\times tg\left(\phi \right)$, (4)

$\Delta x_1=\Delta x-\Delta l\times tg\left(\alpha \right)$, (5)

где $\Delta x$ – координата пересечения третьей системы, $\Delta x_1$ – координата пересечения первой системы.

Используя полученные данные, можно построить уравнение проекции вектора скорости исследуемых объектов на плоскость расположения фотодиодов устройства:

 $y=\frac{x\left(\Delta x-\Delta x_1\right)}{\Delta l}+\Delta x_1$. (6)

Для определения вектора скорости в пространстве необходимо наличие двух проекций вектора в ортогональных плоскостях. Для этого в систему вводится второй канал с аналогичным расположением рабочих компонентов, при этом смещенных на некоторое расстояние $b$ относительно первого, а также расположенных под углом 90° относительно друг друга.

Таким образом, воспользовавшись известными математическими соотношениями, учитывая уравнения (1)–(6) и аналогичность двух устройств, получаем следующее уравнение движения исследуемого объекта:

$\frac{x}{\omega }=\frac{\left(y-\Delta x_1\right)\Delta l}{\omega \left(\Delta x-\Delta x_1\right)}=\frac{\Delta l_2\left(z-\Delta x_3\right)+b\left(\Delta x_2-\Delta x_3\right)}{\omega \left(\Delta x_2-\Delta x_3\right)}$, (7)

где $\Delta x_2$– координата пересечения третьей завесы для второго устройства; $\Delta x_3$ – координата пересечения первой завесы для второго устройства; $\Delta l_2$ – длина от нормали к плоскости первой завесы до точки пересечения исследуемого объекта третьего элемента системы для второго устройства.

Для сравнительного анализа завес была построена модель движения. На рис. 2 а, б представлены два варианта модели хода остронаправленного оптического луча лазера (идеальный случай), когда отсутствуют факторы, способные оказать влияние на его параметры. В этом случае формируется сплошная световая завеса, длина луча в которой не ограничена.

 

Рис. 2. Ход луча: а – для угла наклона лазера 89.5°; б – для угла наклона лазера 89.9°

 

Модель ИИС, учитывающая коэффициент отражения зеркал

В процессе исследования модифицированной модели было учтено, что максимально достижимый в настоящее время коэффициент отражения зеркальных поверхностей k_отрmax=0,98 [3–9]. Как видно из рис. 3, при заданном коэффициенте отражения затухание луча при расстоянии между зеркалами в 10 см и ширине пучка 1 мкм уже после прохода 5-сантиметровой зоны зеркальной поверхности составляет более 99 % (красная зона).

 

Рис. 3. Модель хода лазерного луча для зеркальных поверхностей с коэффициентом отражения, равным 98 %

 

Модифицированная система предоставляет возможность увеличить данную область, используя ячеечную структуру формирования световой завесы. Основная идея ячейки заключается в том, что в крайних точках луча, которые еще можно зарегистрировать современной электронной компонентной базой, достаточно устанавливать приемное устройство и продолжать создание световой завесы с помощью дополнительных источников лазерного излучения. На рис. 4 представлена полученная модель хода луча.

 

Рис. 4. Применение ячеечной структуры оптоэлектронного преобразователя параметров движения микрометеороидов

 

Для расчета максимальной рабочей зоны ячейки световой завесы необходимо определить угол хода луча с целью получения достоверной информации о факте пролета исследуемых объектов.

Сформируем случайный набор точек, находящихся в одной области со световой плоскостью. Примем за допущение следующие данные: ширина лазерного луча 1 мкм, расстояние между зеркальными поверхностями 0,1 м, размер частицы 10 мкм. Построим график вероятности регистрации факта пролета исследуемых объектов в зависимости от угла хода луча (рис. 5).

 

Рис. 5. График зависимости вероятности фиксации факта пролета исследуемого объекта через «световую плоскость»: а – для значений углов менее 89°; б – для значения углов, близких к 90°

 

Исходя из полученных результатов сформируем таблицу для определения максимальной рабочей зоны одной ячейки «световой завесы», при этом угол хода луча, при котором вероятность обнаружения исследуемых объектов будет составлять менее 25 %, учитываться не будет. Выходные данные представлены в таблице.

Проблемы пылевых частиц в космическом пространстве

Как видно из изложенного, решить проблему неидеальности зеркальных поверхностей возможно, однако кроме коэффициента отражения поверхности в условиях космического пространства существуют такие особенности, как пылевые частицы, которые также могут оседать на поверхности по ходу лазерного луча [8].

 

Результаты расчетов

Угол хода луча, °	Размер одной зоны (до первого переотражения), м	Максимальная длина рабочей зоны одной ячейки
89,7660000000	0,0004398258	0,0998404583
89,7840000000	0,0004084093	0,0927089147
89,8020000000	0,0003769929	0,0855773893
89,8200000000	0,0003455766	0,0784458808
89,8380000000	0,0003141603	0,0713143879
89,8560000000	0,0002827441	0,0641829089
89,8740000000	0,0002513279	0,0570514427
89,8920000000	0,0002199118	0,0499199877
89,9100000000	0,0001884958	0,0427885426
89,9190000000	0,0001570798	0,0356571059
89,9550000000	0,0001413718	0,0320913903
89,9713521126	0,0000785398	0,0178285420
90,0000000000	0,0000500000	0,0113500000

 

Для реализации реального случая на поверхности одного из зеркал, на пути луча, была смоделирована частица пыли размером 2 мкм (больше ширины пучка). Полученная модель представлена на рис. 6.

 

Рис. 6. Ход луча при наличии микрочастиц на поверхности зеркальной поверхности

 

Как видно из рис. 6, приведен наихудший случай, когда лазерный луч не полностью был поглощен или отражен частицей, а был разделен на 2 луча, один из которых поступил на приемное устройство, но вносил неточности получения данных ввиду отличающегося количества переотражений.

Заключение

Проведенные исследования показали, что для компенсации погрешности ИИС, вызванной ограниченным значением коэффициента отражения зеркальных поверхностей, структура формирования световой завесы должна быть ячеистой. Кроме того, для повышения точности измерения скорости пылевых микрочастиц (микрометеороидов) необходимо использовать измерительную систему, состоящую из нескольких устройств формирования световых завес.

About the authors

Anatoliy I. Gladyshev

Section of Applied Problems at the Presidium of the RAS

Author for correspondence.
Email: tolyagladyshev@yandex.ru

руководитель организации

Russian Federation, 64A, pr. University, Moscow, 119330

Evgeniy A. Shchelokov

Samara State Technical University

Email: riddick41666@mail.ru
Russian Federation, 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Aleksey M. Telegin

Samara National Research University named after Academician S.P. Koroleva

Email: talex85@mail.ru

доцент, старший научный сотрудник

Russian Federation, 34, Moscow highway, Samara, 443086

References

Supplementary files