ОБЪЕКТИВ КАМЕРЫ СОПРОВОЖДЕНИЯ ДЛЯ СПУТНИКОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Полный текст

Введение. В настоящее время наибольшую точность в измерении дальности до космического аппарата дают спутниковые лазерные локационные станции (спутниковые лазерные дальномеры). По измеренной дальности и моментам времени измерения определяется вектор состояния спутника для дальнейшего прогноза его местоположения [1]. В свою очередь, использование дисперсионного метода в определении поправки среднего коэффициента преломления атмосферы, основанного на одновременной локации лазерными импульсами, разнесенными по длине волны, позволяет повысить точность в определении дальности спутника [2]. Для применения дисперсионного метода необходим расчет оптических систем дальномера, работающих одновременно на двух длинах волн без дополнительной перефокусировки. Оптическая составляющая спутниковых лазерных дальномеров выполняет следующие задачи [3-5]: а) расширяет (коллимирует) лазерный пучок; б) принимает отраженные от спутника лазерные импульсы; в) осуществляет визуальное сопровождение спутника. Для выполнения этих задач возможна реализация оптических систем как отдельными блоками, так и комбинированными. Примером поблочной реализации является лазерный дальномер ЛД-2 [6]. В нем оптическая составляющая реализована в трех отдельных блоках: расширитель (коллиматор) лазерного пучка, два рефлектора для регистрации эхо-сигнала и телескоп для визуального сопровождения цели. В дальномере «Сажень-ТМ» расширитель лазерного пучка, приемная оптическая система и оптическая система для сопровождения спутника выполнены в виде одного оптического блока. Диаметр системы при этом определяется апертурой оптической системы, принимающей отраженные от спутника эхо-сигналы. И отдельно выполнен оптический блок гидирования, который позволяет по ярким звездам соотнести инерциальную систему координат с системой координат лазерного дальномера [7]. В оптической схеме дальномера «Симеиз-1873» Крымской астрофизической обсерватории, расположенного на горе Кошка, роль расширителя лазерного пучка выполняет приемная оптическая двухзеркальная система диаметром 1 м2 [8], причем выпуклое вторичное зеркало выполнено в виде отрицательной линзы Манжена. В данном дальномере лазерный излучатель с рассеивающей линзой и фотодетектор эхо-сигнала с собирающей линзой расположены в фокусе Куде, который фиксирован в пространстве. Это позволяет использовать аппаратуру, установленную стационарно. Разработка и расчет оптических комбинированных систем для лазерных дальномеров, работающих в широком диапазоне длин волн, представляет довольно интересную задачу, и ее решение позволяет увеличить точность определения дальности космического аппарата и минимизировать габаритно-массовые характеристики лазерного спутникового дальномера. Целью работы являлся рассчет комбинированной оптической системы, которая включает расширитель лазерного пучка, оптику приема эхо-сигнала и оптическую систему визуального сопровождения для широкой области спектра. Структурная схема. Для достижения цели было решено произвести расчет оптической системы по структурной схеме, приведенной на рис. 1. Структурная схема представляет комбинированную оптическую систему, включающую в себя расширитель лазерного пучка для диапазона длин волн от 400 до 2000 нм, детектор эхо-сигнала с фокусирующей линзой и объектив камеры сопровождения для оптического диапазона 480-644 нм. принципиальная схема Рис. 1. Структурная схема комбинированной оптической системы спутникового лазерного дальномера: 1 - расширитель лазерного пучка; 2 - интерференционный фильтр; 3 - детектор эхо-сигнала; 4 - объектив камеры сопровождения; ЛП - лазерный пучок; РЛП - расширенный ЛП; ЭС - эхо-сигнал; ОИ - оптическое излучение Лазерный пучок ЛП (рис. 1) проходит через расширитель лазерного пучка 1, являющийся, как правило, афокальной оптической системой. При прохождении через него происходит увеличение апертуры лазерного луча. Расширенный в диаметре лазерный пучок РЛП направлен в сторону спутника, на котором установлены уголковые отражатели оптического диапазона. После отражения эхо-сигнал ЭС направлен в обратном направлении (в сторону лазерного дальномера). Далее ЭС проходит через оптическую систему расширителя в обратном ходе лучей, проходит через интерференционный фильтр 2 и фиксируется детектором эхо-сигнала 3, останавливая при этом счетчик временных интервалов. Наряду с ЭС через оптику расширителя в обратном ходе лучей принимается оптическое излучение ОИ всего оптического диапазона. ОИ, не пройдя через фильтр 2, направляется в объектив камеры сопровождения 4. Расширитель лазерного пучка. В качестве расширителя лазерного пучка используется рассчитанный нами ранее зеркально-линзовый расширитель [9], который является зеркально-линзовой афокальной оптической системой (рис. 2). оптич схема расширителя Рис. 2. Оптическая схема расширителя лазерного пучка, используемого в комбинированной схеме для спутникового лазерного дальномера: 1 - окулярный трехлинзовый блок; 2 - плоское диагональное зеркало; 3 - зеркальное покрытие центральной части апертурного мениска; 4 - зеркало Манжена; 5 - зеркальное покрытие зеркала Манжена; 6 - апертурный мениск Лазерный пучок после прохождения окулярного блока 1 начинает расходиться. После отражения на зеркале 2 направление расходящегося лазерного пучка меняется на 90° в сторону апертурной линзы 6, центральная часть которой имеет отражающее покрытие 3. Отразившись от покрытия 3, пройдя через линзу Манжена 4 и отразившись от зеркального покрытия 5, лазерный луч становится слаборасходящимся. После прохождения через апертурный мениск 6 пучок становится параллельным и увеличенным в диаметре. Основные характеристики расширителя лазерного пучка приведены в табл. 1. Таблица 1 Основные характеристики расширителя лазерного пучка Диаметр входного зрачка, мм 42,8 Диаметр выходного зрачка, мм 300 Диапазон длин волн, нм 400-2000 Расходимость луча 400 нм, рад 1064 нм, рад ~2,5×10-5 ~11,6×10-5 Увеличение, крат 7 Поле зрения, ° 0,4 Данный расширитель при диаметре апертурной линзы 320 мм и семикратном увеличении в обратном ходе лучей сужает световой поток до диаметра 42,8 мм. Это позволяет использовать его не только как питающую оптику для детектора эхо-сигнала, но и как питающую оптику для объектива сопровождения. Расходимость луча для всего оптического диапазона и ближнего инфракрасного (до 2000 нм) - дифракцион-ная и не требует дополнительной перефокусировки, что позволяет его использовать при одновременном расширении лазерных пучков с разнесенными длинами волн. При этом на входе непараллельность лазерного пучка с оптической осью расширителя в пределах ±0,2° не сказывается на его расходимость при выходе из расширителя. Диагональное зеркало 2 на рис. 2 выносит окулярный блок в фокус Несмита, что впоследствии позволит использовать фокус Куде в лазерном дальномере. В данном расширителе все поверхности линз и зеркал сферические за исключением плоского зеркала Д2. Апертурный мениск и зеркало Манжена изготовлены из оптического стекла марки ЛК7, линзы окулярного блока - из стекла марок ЛК7, К8, ТФ10 [10-12]. Отсекатели паразитных лучей в виде усеченных конусов (обычно устанавливают в двухзеркальных системах типа кассегрена) в расширителе лазерного пучка не требуются, так как диагональное зеркало 2 (см. рис. 2) имеет меньший размер, чем размер сечения теневого конуса для паразитных лучей. Объектив камеры сопровождения. Авторами рассчитан объектив камеры сопровождения в двух вариантах. Основное различие вариантов оптических систем состоит в количестве линз в системе и в марках используемого оптического стекла. В первом варианте используются обычные стекла, а во втором варианте содержатся линзы, изготовленные из стекла с особым ходом дисперсии: особый флинт ОФ1 [13] и особый крон ОК4 [14]. Основные характеристики объективов, в состав которых входит вышеописанный расширитель лазерного пучка в обратном ходе лучей, приведены в табл. 2. На рис. 3 приведены два варианта оптических схем камеры сопровождения в оптическом диапазоне. Расширитель лазерного пучка в полном объеме на схемах не показан, так как он рассматривался выше. На схемах обозначена лишь его часть - окулярный трехлинзовый блок 1. Принцип работы рассчитанных объективов следующий. Лазерный источник ЛИ генерирует лазерный пучок ЛП, который с помощью плоских зеркал Д1 и Д2 направляется в окулярный трехлинзовый блок расширителя лазерного пучка. Лазерный импульс после прохождения расширителя, отражения от уголковых отражателей эхо-сигналом проходит в обратном ходе лучей через расширитель, отражается от зеркала Д2 и проходит через прозрачный для него диагональный фильтрующий элемент ДФЭ. Линза 2 фокусирует ЭС на регистрирующей поверхности фотодетектора, который дает команду на завершение счета интервалов времени. Фокусное расстояние линзы 2 определяется конструктивными размерами. Одновременно с ЭС в расширитель в обратном ходе лучей поступает оптическое излучение, которое, пройдя через расширитель, поступает на плоское зеркало Д2. Отразившись от него и от поверхности ДФЭ, с помощью линз фокусирующего блока оптического излучения 3 оптическое излучение фокусируется на регистрирующей поверхности прибора с зарядовой связью ПЗС. Поэлементные характеристики фокусирующего блока 3 (рис. 3) для первого и второго варианта приведены в табл. 3 и 4 соответственно. В таблицах указаны радиусы кривизны поверхностей, световой диаметр линз и их толщина, значение воздушных промежутков между линзами и марка стекла, из которого они изготовлены. Отсчет номеров поверхностей фокусирующего блока оптического излучения 3 на рис. 3 начинается с первой поверхности от диагонального фильтрующего элемента ДФЭ в направлении фокальной плоскости. Радиус кривизны для всех сферических поверхностей выбран из списка ГОСТ 1807-75 [15]. Таблица 2 Общие характеристики объектива камеры сопровождения Характеристика Вариант № 1 № 2 Диаметр входного зрачка, мм 319,5 319,5 Эквивалентное фокусное расстояние, мм 1752,6 1753,6 Фокальное отношение 5,49 5,49 Окончание табл. 2 Характеристика Вариант № 1 № 2 Масштаб в фокальной плоскости, мкм / ² 8,5 8,5 Основной спектральный диапазон, нм 480-644 480-644 Кривизна поля зрения Плоскость Плоскость Угловой диаметр поля зрения, градусы 0,3 0,3 Линейный диаметр поля зрения, мм 9,2 9,2 Задний отрезок, мм 117,01 225,12 Среднеквадратический диаметр изображения точечного источника (центр поля / край поля), мкм 7,5 / 12,0 5,5 / 6,7 Диаметр пятна рассеяния, в пределах которого находится 80 % световой энергии изображения точечного источника (центр поля / край поля), мкм 8,6 / 14,4 7,9 / 7,8 Типы поверхностей Сфера Сфера Количество линз 5 4 Марки используемых стекол ТФ10, ЛК7 ОФ1, ОК4, Пл. кварц Фокальная поверхность Плоскость Плоскость б2 350 4 5 а Рис. 3. Объектив камеры сопровождения: а - вариант № 1 с 5-линзовым фокусирующим блоком; б - вариант № 2 с 4-линзовым фокусирующим блоком; 1 - окулярный трехлинзовый блок расширителя лазерного пучка; 2 - фокусирующая линза для эхо-сигнала ЭС; 3 - линзы фокусирующего блока оптического излучения ОИ; ЛИ - лазерный излучатель; ЛП - лазерный пучок; Д1, Д2 - плоские зеркала; ДФЭ - диагональный фильтрующий элемент, прозрачный для ЭС; ФД - фотодетектор; ПЗС - прибор с зарядовой связью Таблица 3 Поэлементные данные фокусирующего блока для первого варианта объектива № поверхности Радиус кривизны, мм Световой диаметр, мм Толщина, мм Наполнение, материал 1 205,10 74,8 7 ТФ10 2 134,90 73,6 9,2 Воздух 3 126,47 75,6 15 ЛК7 4 -281,80 75,1 11,22 Воздух 5 -136,77 73,0 7 ЛК7 6 -168,27 73,1 104,36 Воздух 7 128,23 52,5 10 ЛК7 8 444,60 50,4 25 Воздух 9 389,00 42,1 5 ТФ10 10 227,00 40,9 117,11 Воздух 11 ¥ Таблица 4 Поэлементные данные фокусирующего блока для второго варианта объектива № поверхности Радиус кривизны, мм Световой диаметр, мм Толщина, мм Наполнение, материал 1 143,22 74,9 7,0 ОФ1 2 71,12 73,0 2,82 Воздух Окончание табл. 4 № поверхности Радиус кривизны, мм Световой диаметр, мм Толщина, мм Наполнение, материал 3 59,16 75,5 8,0 Кварц пл. 4 62,52 73,9 4,09 Воздух 5 75,86 75,5 25,0 ОК4 6 -69,82 73,7 2,49 Воздух 7 -63,10 71,9 8,0 Кварц пл. 8 -216,80 70,6 225,12 Воздух 9 ¥ Таблица 5 Соответствие марки стекла по каталогу ЛЗОС маркам стекла зарубежных производителей Марка стекла ЛЗОС ШОТТ (SCHOTТ) ОХАРА (OHARA) ЛК7 FK FSL К8 ВК7 BSL7 ТФ10 - - ОФ1 KF NSL ОК4 FK FPL Длина заднего отрезка (расстояние от последней оптической поверхности до приемника излучения) в обоих случаях достаточна для установки узла фокусировки, светофильтров и самого фотоприемника. Система зеркал, состоящая из зеркала 2 (см. рис. 2) и зеркала Д2 (см. рис. 3), позволяет использовать фокус Куде. Точка фокуса в системе Куде неподвижна относительно поверхности Земли. Изображение, построенное оптической системой в фокальной плоскости, претерпевает вращение относительно оптической оси во время сопровождения цели. Использование фокуса Куде позволяет использовать стационарно установленную аппаратуру: детектор эхо-сигнала с фокусирующей линзой, объектив камеры сопровождения с фотодетектором оптического изображения и лазерный источник. Установка оборудования на станине лазерного дальномера снижает нагрузку на опорно-поворотное устройство (ОПУ), что позволяет снизить вес ОПУ. При расчете объективов использовались марки стекла ЛК7, ТФ10, ОФ1, ОК4, изготавливаемые на Лыткаринском заводе оптического стекла, и плавленый кварц. Соответствие стекол по каталогу ЛЗОС маркам стекла зарубежных производителей представлено в табл. 5 [16]. При замене отечественных стекол на стекла зарубежных производителей возможна небольшая коррекция толщин линз и расстояний между ними. Анализ изображения точечных источников. Диаграммы объектива для точечных источников, расположенных на оси, на угловом расстоянии 0,075° и 0,15° от оси, приведены на рис. 4. В верхнем правом углу указан угол поля. Сторона квадрата равна 0,05 мм. Обозначения лучей: крестики - длина волны 479,9914 нм, круг - 546,074 нм, треугольники - 643,8469 нм. Суммарное распределение энергии в изображении точечного источника приведено на рис. 5. Круглым маркером обозначена кривая распределения на оси, треугольным - на расстоянии 0,075° от оси, и крестиком - на угле 0,15° от оси. В обоих случаях 100 % световой энергии укладывается в кружок диаметром ~30 мкм. Фотоприемник. Назначение фотоприемника сводится к тому, чтобы преобразовать изображение в оптическом диапазоне в телевизионный сигнал и передать его на внешние устройства вывода для контроля в реальном времени слабосветящихся объектов в ночное время и объектов в условиях ночного освещения. Предполагается, что фотоприемником могут служить матричные ПЗС-приемники с кадровым переносом типа ELCM1079 производства НПП «ЭЛАР», Россия. Данный приемник представляет матричный прибор с зарядовой связью с кадровым переносом, содержащий секцию накопления 578 строк по 578 элементов размером 22 мкм, с квантовой эффективностью 40-55 %, на длинах волн 400-700 нм (данный сенсор светочувствителен в диапазоне от 250 до 1000 нм, но имеет меньшую квантовую эффективность) [17]. Учет тепловых токов (шумов) возможен при стабильной температуре сенсора благодаря элементу Пельтье, который установлен в газонаполненной камере вместе с матричным ПЗС-приемником. В данном приборе входное окно камеры выполнено из оптического кварцевого стекла толщиной 2,8 мм. Данная плоскопараллельная пластина вносит в систему дополнительную сферическую аберрацию. С помощью перефокусировки выбирается положение оптимального фокуса. Для варианта № 1 следует уменьшить расстояния от последней линзы объектива до первой поверхности кварцевого окна ПЗС-приемника не на величину толщины кварцевой пластины, а до значения 115,10 мм. Это позволит получить пятна рассеяния для интегрального света в плоскости оптимальной фокусировки для нулевого луча - 7,4 мкм, для поля 0,075° - 9,5 мкм и на краю поля 0,15° - 11,8 мкм. Для второго варианта расстояние от последней поверхности объектива до окна приемника должно составлять 223,21 мм. В этом положении пятно рассеяния будет для поля 0° - 6,2 мкм, для поля 0,75° - 5,6 мкм и на краю поля 0,15° - 5,9 мкм. При размере пикселя 22 мкм данная матрица в сочетании с рассчитанным объективом имеет масштаб 2,6 ²/ пиксель. бПятна а Рис. 4. Точечные диаграммы точечного источника для двух вариантов расчета: а - первый вариант расчета объектива; б - второй вариант расчета Доля световой энергииДоля световой энергиибаэнергия Рис. 5. Суммарное распределение световой энергии в изображении точечного источника света на оси и на угловом расстоянии 0,075° и 0,15° от нее: а - распределение для первого варианта; б - распределение для второго варианта При использовании других матричных фотоприемников, в зависимости от толщины и материала входного окна, следует пересчитывать положение плоскости наилучшей фокусировки. Заключение. Рассчитанные нами варианты объектива сопровождения для лазерного дальномера позволяют получить в комбинированной схеме с расширителем лазерного пучка изображение точечного источника на оси размером 7,5 мкм (вариант с обычными оптическими стеклами) и 5,5 мкм (вариант с особыми стеклами, имеющими особый ход дисперсии). Для второго варианта качество изображения остается безаберрационным на половине поля зрения. Комбинированная оптическая система позволяет минимизировать габаритные и массовые характеристики оптической составляющей лазерного спутникового дальномера. Фокус Куде позволяет использовать стационарно установленную аппаратуру, т. е. для нее практически нет ограничения по весу. Рассчитанные системы позволяют коллимировать лазерный пучок в диапазоне от 400 до 2000 нм без дополнительной перефокусировки. Благодаря этому возможно использование двулучевой локации космических аппаратов, что позволяет определить поправку в определении среднего коэффициента преломления атмосферы дисперсионным методом. Упрощению и удешевлению процесса изготовления оптических компонентов объектива способствует отсутствие асферических поверхностей; наиболее употребительные радиусы кривизны для сферических поверхностей из списка ГОСТ 1807-75; марки оптического стекла для линз, которые выбраны из каталога отечественного производителя.

Об авторах

Е. Г. Лапухин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

lapukhineg@sibsau.ru

В. М. Владимиров

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Л. В. Границкий

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы