устройство для измерения характеристик светорассеяния оптико-электронных приборов

Формула изобретения

Устройство измерения характеристик светорассеяния, содержащее источник излучения и последовательно установленные по ходу его излучения формирующую оптическую систему, инспектируемый и эталонный световозвращатели, два светоделителя, приемный коллиматор, первую проекционную систему и первую матрицу ПЗС, при этом выход первой матрицы ПЗС соединен с входом микропроцессора, выход которого соединен с монитором, отличающееся тем, что дополнительно между приемным коллиматором и первой проекционной системой введен первый прозрачный матовый экран, установленный от окуляра приемного коллиматора на расстояние, равное значению моделируемого расстояния между локатором и инспектируемым световозвращателем, деленного на квадрат коэффициента увеличения приемного коллиматора, умноженный на корень из двух, причем матовая поверхность первого прозрачного матового экрана первой проекционной системой оптически сопряжена с поверхностью первой матрицы ПЗС, при этом формирующая оптическая система выполнена из трех последовательно расположенных по ходу распространения пучка излучения формирующих коллиматоров, второго светоделителя, измерительного коллиматора, плоскопараллельной пластины, второго матового прозрачного экрана, второй проекционной системы и второй матрицы ПЗС, причем формирующие коллиматоры обращены окулярами к источнику излучения, расстояния между первым и вторым, а также вторым и третьим формирующими коллиматорами равны сумме параксиальных фокусов объектива предыдущего коллиматора и окуляра последующего, второй светоделитель установлен в оптическом промежутке между вторым и третьим по ходу распространения лазерного пучка формирующими коллиматорами под углом к оптической оси проходящего через него пучка излучения, измерительный коллиматор находится в плече второго светоделителя, которое отражает падающий на него пучок излучения и обращен объективом ко второму светоделителю, на пути распространения выходящего из измерительного коллиматора пучка под углом к оптической оси проходящего через нее пучка установлена плоскопараллельная стеклянная пластина, на пути распространения отраженного от плоскопараллельной пластины пучка последовательно установлены второй матовый прозрачный экран, вторая проекционная система и вторая матрица ПЗС, второй матовый прозрачный экран установлен перпендикулярно оптической оси падающего на него пучка, матовая поверхность второго матового прозрачного экрана второй проекционной системой оптически сопряжена с поверхностью второй матрицы ПЗС, при этом эталонный световозвращатель установлен рядом с инспектируемым световозвращателем в пучке зондирующего излучения, выход второй матрицы подключен к входу микропроцессора, выполненного с возможностью вычисления значения ЭПР инспектируемого световозвращателя по выражению

,

,

где

L - значение моделируемого расстояния между локатором и инспектируемым световозвращателем;

R₃ - радиус кривизны отражающей поверхности ЭС;

₃ - коэффициент отражения отражающей поверхности ЭС;

U₀ - величина сигнала, пропорционального уровню отраженного от инспектируемого световозвращателя излучения в плоскости его приема;

U_эм - величина сигнала, пропорционального уровню отраженного от эталонного световозвращателя излучения в плоскости его приема.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерений характеристик светорассеяния оптико-электронных приборов (ОЭП) и может быть использовано в технике экспериментального измерения индикатрисы отражения, пеленгационной характеристики и эффективной площади рассеяния ОЭП в лабораторных условиях.

Известно, что для сравнительной оценки световозвращательной способности различных ОЭП используются основные световозвращательные характеристики. К ним относятся [ЛАЗЕР-ИНФОРМ. Информационный бюллетень Лазерной ассоциации №4 (259) февраль, 2003, Н.В.Барышников, к.т.н., В.Е.Карасик, д.т.н., проф., МГТУ им.Н.Э.Баумана, Москва, 7 мая 2003 г]:

- эффективная площадь рассеяния (ЭПР) - ;

- индикатриса отражения;

- пеленгационная характеристика.

Совокупность ЭПР по всем направлениям относительно оптической оси световозвращателя составляет его пространственную индикатрису отражения.

Пеленгационной характеристикой ОЭП - (j) называют зависимость ЭПР от угла пеленга j - угла между осью оптической системы ОЭП и направлением на источник подсвета.

При этом известно, что в ходе процессов локации и измерении характеристик светорассеяния ОЭП, как правило, используются лазерные пучки [А.В.Павлов. Характеристики излучения и методы из расчета. М.: МО СССР, 1979, 148 с.], а расстояния между источником и ОЭП, и приемником и ОЭП могут не совпадать [патент RU №2256871, 2003 г.]

Известно устройство для определения эффективной площади рассеяния ОЭП (см., например, патент RU №2284486, по классу G01J 1/10, 2006 г.), включающее расположенные по ходу зондирующего излучения лазер подсвета и светорасщепитель, между которыми последовательно установлены по ходу зондирующего лазерного излучения коллиматор и объектив, с фокусным расстоянием f, равным удвоенному расстоянию между светорасщепителем и держателем исследуемого ОЭП, между светорасщепителем и фотоприемником по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного от ОЭП средства излучения.

Недостатком данного устройства является большая систематическая погрешность измерений значений ЭПР, обусловленная реализацией посредством этого устройства метода локации в сходящемся пучке.

Проведем оценку систематической погрешности измерений, возникающей при использовании описанного выше устройства. Согласно [Ю.Л.Козирацкий, В.Д.Попело, Методы экспериментального исследования характеристик отражения оптико-электронных средств, Научно-методические материалы, 5 ЦНИИИ МО РФ, 1998 г. 186 с. (стр.120)]:

расстояние между входным зрачком ОЭП и объективом равно L=0,5f;

диафрагма устанавливается в плоскости анализа отраженного от ОЭП излучения, удаленной от входного зрачка ОЭП на расстояние, также равное L=0,5f.

При этом радиус отверстия диафрагмы rd зависит от моделируемой трассы локации Lm и определяется с помощью следующего выражения:

,

где: ro - радиус входного зрачка приемного канала реального образца лазерного локатора.

Известно, что отношение мощностей принимаемого расположенным за диафрагмой приемником излучения, проходящего через отверстия с одинаковыми значениями их радиусов, пропорционально отношению плотности мощности в плоскости этих отверстий. В свою очередь плотность мощности в сходящемся пучке зависит от удаления плоскости анализа относительно его перетяжки (точки его фокусировки), а отношение плотностей мощности равно отношению квадратов радиусов пучков в плоскости анализа, которые зависят от удаления плоскости анализа от перетяжки.

Определим удаление перетяжки отраженного от ОЭП сходящегося пучка.

Рассмотрим ход проходящих в прямом направлении лучей при локации оптико-электронных средств (ОЭП) в сходящемся пучке, который показан на Фиг.2.

На Фиг.2 приведены следующие обозначения: L - радиус кривизны волнового фронта в плоскости входного зрачка ОЭП (дальность локации ОЭП в сходящемся пучке); f - значение параксиального фокуса объектива ОЭП; x1 - расстояние между задней главной плоскостью объектива ОЭП и точкой пересечения сфокусированного им сходящегося пучка с осью; z1 - расстояние между параксиальным фокусом объектива и точкой пересечения сфокусированного им сходящегося пучка с оптической осью; z2 - расстояние между параксиальным фокусом объектива и точкой пересечения направлений лучей падающего на входной зрачок пучка с оптической осью.

Значение расстояния между задней главной плоскостью объектива ОЭП и точкой пересечения сфокусированного им сходящегося пучка x1 может быть определено с помощью уравнения Гаусса [Прикладная оптика / Дубовик А.С.и др.; Учебное пособие для вузов, М., Недра, 1982, 621 с. (стр.40-41)]:

.

Из Фиг.2 следует, что расстояние между параксиальным фокусом объектива и точкой пересечения направлений лучей падающего на входной зрачок пучка с осью z2 равно:

.

Подставляя (3) в (2) после простых преобразований и сокращений получим:

.

Из (4) видно, что значение х1 меньше значения параксиального фокуса объектива ОЭП.

На Фиг.3 приведен ход проходящих в прямом и обратном направлениях лучей при локации оптико-электронных средств (ОЭП) в сходящемся пучке.

На Фиг.3 приняты следующие обозначения: ОП - отражающая плоская поверхность, расположенная в параксиальной фокальной плоскости объектива перпендикулярно его оптической оси; х2 - расстояние между передней главной плоскостью объектива и точкой пересечения лучей отраженного им сходящегося пучка излучения; z3 - расстояние между отражающей поверхностью и точкой пересечения продолжения отраженных ОП лучей.

Из Фиг.2 и 3 и геометрических соображений следует:

;

поскольку углы падения и отражения лучей относительно ОП равны, то и равны значения расстояний между параксиальным фокусом объектива и точкой пересечения сфокусированного им сходящегося пучка с оптической осью z1 и между отражающей поверхностью и точкой пересечения продолжения отраженных ОП лучей z3;

отраженный от ОП пучок лучей может быть заменен на эквивалентный гомоцентрический пучок, точка излучения которого находится на оптической оси и удалена от ОП на расстояние z3.

С учетом изложенного выше значение расстояния между передней главной плоскостью объектива ОЭП и точкой пересечения сфокусированного им отраженного от ОП сходящегося пучка х2 как эквивалентного гомоцентрического пучка может быть определено с помощью уравнения Гаусса [Прикладная оптика / Дубовик А.С.и др.; Учебное пособие для вузов, М., Недра, 1982, 621 с. (стр.40-41)]:

.

Последовательно подставляя (6) в (5) и (4) и производя последовательные преобразования и сокращения, получим:

.

Из приведенных выше рассуждений и выражения (7) следует, что систематическая погрешность измерений, возникающая при использовании описанного выше устройства, вызвана установкой диафрагмы в заявленном устройстве (смещением плоскости анализа) относительно плоскости перетяжки отраженного от ОЭП сходящегося пучка на расстояние, равное 2f.

Из Фиг.2 и выражения (7) следует, что значение радиуса пучка в плоскости, удаленной от передней главной плоскости объектива на расстояние L, может быть определено с помощью следующего выражения:

,

где r_ОЭП - радиус входного зрачка лоцируемого ОЭП.

Принимая, что радиус пучка в плоскости, удаленной от ОЭП на расстояние, равное 2f+L, равен радиусу диафрагмы, с учетом (7) и (8) можно получить следующее выражение, позволяющее получить значение отношения мощностей сигналов К, регистрируемых после диафрагмы, находящейся от объектива на расстоянии 2f+L и L соответственно:

.

Пусть Lm=3 км, r_ОЭП=ro=3 см, L=1 м, а f=10 см.

Проведенные с помощью выражения (9) расчеты показали, что в этом случае К=9·10 ⁶. То есть измерение ЭПР в сходящемся пучке в рассмотренном случае приводит к занижению истинного значения ЭПР почти на семь порядков.

Изложенное выше показывает, что использование устройства по патенту RU 2284486 C1 no классу G01J 1/10 приводит к систематическим ошибкам измерения значений ЭПР ОЭП на несколько порядков.

Известно устройство для определения эффективной площади рассеяния ОЭП (см., например, Майзельс Е.Н., Торгованов В.А, Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. - М.: Советское радио, 1972, с.41), включающее лазер подсвета, держатель исследуемого ОЭП, установленные по ходу зондирующего лазерного излучения, фотоприемник, установленный по ходу отраженного от ОЭП лазерного излучения, и регистратор выходного сигнала фотоприемника, вход которого подключен к выходу фотоприемника.

Недостатками данного устройства являются наличие систематической погрешности измерений, связанной с малой длиной измерительной трассы (ограниченной длиной лабораторного помещения), а также невозможность измерения данным устройством индикатрис отражения ОЭП.

Так известно, что наиболее распространенным и простым способом измерения значений ЭПР ОЭП является способ прямых измерений, основанный на регистрации величины напряжения на выходе приемного канала измерителя U ₀, пропорционального уровню отраженного от ОЭП сигнала излучения в плоскости его приема. Измерения проводятся с помощью предварительно прокалиброванной с использованием ЭС аппаратуры. Уравнение прямых измерений имеет следующий вид:

=g_ЭU₀,

где g_э - цена деления шкалы измерительного устройства.

Наиболее распространенным способом калибровки является градуировка измерительной аппаратуры по эталонному отражателю, размещаемому на той же дальности, что и исследуемое ОЭП. При условии линейности рабочей характеристики измерительного тракта аппаратуры значение g_Э определяется как:

,

где _Э - ЭПР ЭС (ЭС), U _э - величина сигнала, пропорционального уровню отраженного от ЭС излучения в плоскости его приема.

Как правило, при проведении калибровки в качестве ЭС используются сферические выпуклые зеркала с известными значениями радиуса кривизны R _з и коэффициента отражения р_з зеркальной поверхности. При этом значения R_з колеблются в пределах единиц - десятков метров, а значения р _з от 0.8 до 0,95. В [А.В.Павлов. Характеристики излучения и методы из расчета. М.: МО СССР, 1979, 148 с.] показано, что значение ЭПР такого ЭС может быть рассчитано с помощью следующего выражения:

Из выражения (10) следует, что ЭПР сферического выпуклого зеркала зависит только от параметров, характеризующих это зеркало.

Однако результаты экспериментальных исследований показали, что выражение (10) для расчета ЭПР сферического выпуклого зеркала как ЭС при проведении калибровки измерительной аппаратуры на трассах ограниченной протяженности (особенно в лабораторных условиях) не справедливо, что приводит к погрешности калибровки измерителя ЭПР и, следовательно, к систематическим погрешностям измерения ЭПР реальных образцов ОЭП.

Этот факт был обнаружен в ходе сопоставления результатов измерения ЭС с известными значениями ЭПР и объясняется тем, что значения ЭПР эталонных отражателей зависят от условий их локации, которые при выводе выражения (10) в [А.В.Павлов. Характеристики излучения и методы из расчета. М.: МО СССР, 1979, 148 с.] не учитывались. Под условиями локации в рассматриваемом случае понимаются параметры, характеризующие:

расстояние между ЭС и источником зондирующего излучения;

расстояние между ЭС и входным зрачком приемного канала измерительной аппаратуры.

Известно, что условию облучению ЭС лазером без коллиматора на его выходе соответствует расходящийся пучок.

В дальнейшем будем считать, что в этом случае источник облучения является точечным и расходящимся.

Вывод выражения (10) для точечного источника приведен, например, в [А.В.Павлов. Характеристики излучения и методы из расчета. М.: МО СССР, 1979, 148 с.], где было показано, что если известна сила излучения источника зондирующего излучения (ЗИ) (облучателя цели) I_изи, то величина лучистого потока, который достигнет входного зрачка приемного канала измерителя после отражения от объекта сферической формы с зеркальной поверхностью, будет определяться следующим выражением:

.

где: S_п - площадь отражающей круглой площадки на поверхности ЭС, от которой отраженное излучение будет попадать во входной зрачок приемного канала измерителя; L - дальность локации; _с - коэффициент пропускания зондирующего излучения на трассе длиной L.

.

где: r - радиус площадки на поверхности ЭС, от которой отраженное излучение будет попадать во входной зрачок приемного устройства;

D - диаметр входного зрачка объектива приемного канала измерителя.

При выводе выражений (10), (11) и (12) предполагалось следующее:

- источник ЗИ является точечным;

- центр точечного источника ЗИ совпадает с центром входного зрачка объектива приемного канала локатора;

- расстояния от центра ЭС до источника и от центра ЭС до центра входного зрачка объектива приемного канала равны;

- оптические оси пучка ЗИ и оптического тракта приемного канала совпадают и проходят через центр ЭС;

- диаметр пучка отраженного от ЭС излучения меньше, чем диаметр входного зрачка приемного канала (ПК);

- поперечные размеры сформированного отраженным от ЭС излучением пятна на фоточувствительной поверхности приемника меньше поперечных размеров этой поверхности;

- радиус кривизны ЭС значительно меньше дальности локации.

Однако, как показали предварительные оценки, последнее условие на трассах локации ограниченной протяженности (особенно в лабораторных условиях) практически не выполняется.

Для оценки влияния соотношения между радиусом кривизны ЭС и дальностью локации на значение ЭПР ЭС рассмотрим процессы облучения ЭС и отражения от него излучения точечного источника ЗИ (Фиг.4).

На Фиг.4 обозначено: 1 - угол между оптической осью приемного канала (ПК) и направлением распространения луча от источника ЗИ, попадающего после отражения от ЭС на край входного зрачка объектива ПК (далее крайнего луча); 2 - угол между направлением распространения крайнего луча после отражения от ЭС и оптической осью ПК; 1 - угол между нормалью к ЭС в точке отражения крайнего луча и оптической осью ПК; 2 - угол между нормалью к ЭС в точке отражения крайнего луча и падающим в эту точку лучом; L1 - расстояние между источником и точкой ЭС, расположенной на оптической оси ПК; L2 - расстояние между точкой ЭС, расположенной на оптической оси ПК и плоскостью входного зрачка объектива ПК.

Пусть, как и в [А.В.Павлов. Характеристики излучения и методы из расчета. М.: МО СССР, 1979, 148 с.] точечный источник ЗИ находится на оптической оси ПК, и оптическая ось пучка совпадает с оптической осью ПК. В этом случае, как это следует из фигуры 3, угол 2 равен:

.

Выражение (13) отличается от выражения для угла 2, полученного в [А.В.Павлов. Характеристики излучения и методы из расчета. М.: МО СССР, 1979, 148 с.], наличием в числителе вычитаемого, равного 2r. В то же время из фигуры 3 следует, что:

2= 1+ 2 и 2= 1+ 1

откуда: .

Поскольку L1 много больше r, то 1=r/L1, откуда:

.

Подставляя (15) в (13) и принимая, что поскольку радиус кривизны сферического выпуклого зеркала много больше радиуса площадки на поверхности ЭС, от которой отраженное излучение будет попадать во входной зрачок приемного устройства r, то 1=r/R_з. В этом случае получим, что при L1 L2 радиус г будет равен:

.

При преобразуется к следующему виду:

.

Площади отражающей круглой площадки на поверхности ЭС, от которой отраженное излучение будет попадать во входной зрачок приемного устройства, для различных условий локации ЭС точечным источником будут соответственно равны:

.

Известно, что, уровень сигнала, снимаемого с фотоприемника ПК локатора, прямо пропорционален облученности его входного зрачка, которая напрямую зависит от ЭПР ЭС. Поскольку во входной зрачок объектива ПК попадает только та часть ЗИ, которая отражается от круглой площадки на поверхности ЭС радиусом r, то отношение облученности в плоскости этого объектива, рассчитанной с помощью выражений (18) H(L1 L2) или (19) H(L1=L2=L), к облученности, рассчитанной с помощью известного выражения (12) Н₃, будут соответственно равны:

,

.

В таблице 1 приведены рассчитанные с помощью выражений (20) и (21) отношения ПСВ ЭС для различных дальностей локации и значений радиуса кривизны отражающей поверхности ЭС.

Таблица 1
Отношения ПСВ ЭС для различных дальностей локации и значений радиуса кривизны отражающей поверхности ЭС при его облучении точечным источником.
L1, м	10 (лаб. усл.)	20	50	100	200	500	750	1000	1500
К1, R3 =5 м L2=0,5L1	0,327	0,529	0,756	0,865	0,929	0,971	0,98	0,985	0,99
К1, R3=10 м L2=0,5L1	0,16	0,327	0,592	0,756	0,865	0,943	0,961	0,971	0,98
К1, R3=15 м L2=0,5L1	0,095	0,221	0,476	0,666	0,808	0,916	0,943	0,956	0,971
К2, R3 =5 м	0,44	0,64	0,826	0,907	0,952	0,98	0,987	0,99	0,993
К2, R3=10 м	0,25	0,444	0,694	0,826	0,907	0,961	0,974	0,98	0,987
К2, R 3=15 м	0,16	0,327	0,592	0,756	0,865	0,943	0,961	0,971	0,98

Из таблицы 1 и выражений (20) и (21) следует, что:

текущее значение ПСВ ЭС при дальностях локации, соизмеримых с радиусом кривизны отражающей поверхности, будет в несколько раз меньше значения ПСВ, рассчитанного с помощью известного выражения (10), что приведет к аналогичному завышению значений ЭПР ОЭП при измерениях прокалиброванной с помощью таких ЭС аппаратуры;

только при дальности локации L, превосходящей радиус кривизны ЭС R₃ более чем на два порядка, отношения измеренных значений ПСВ К1 и К2 становятся примерно равными единице.

Поскольку в известном устройстве для определения эффективной площади рассеяния ОЭП [Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. - М.: Советское радио, 1972, с.41] отсутствуют элементы перемещения фотоприемника относительно оптической оси отраженного от ОЭП пучка зондирующего излучения и регистрации значений углов между направлением на приемник относительно центра входного зрачка ОЭП и оптической осью ОЭП, то индикатрису отражения ОЭП данным устройством нельзя.

Таким образом, применение известного устройства для определения эффективной площади рассеяния ОЭП [Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. - М.: Советское радио, 1972, с.41] не учитывает зависимости значений ЭПР эталонных сферических отражателей от дальности, что приводит к занижению измеренных значений ЭПР ОЭП до шести раз, а также не обеспечивает возможность измерения данным устройством индикатрисы отражения ОЭП.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения показателя световозвращения оптико-электронных приборов [Россия, Патент №2202814 по классу G02В 23/12, 2003 г.], которое включает источник излучения и последовательно установленные по ходу его излучения формирующую оптическую систему, установленные с возможностью замены оптико-электронный или оптический приборы и эталонный световозвращатель, первый светоделитель, приемный коллиматор, второй светоделитель, в одном плече которого установлена проекционная система и матрица ПЗС, плоскость установки которой оптически сопряжена с фокальной плоскостью приемного коллиматора, а в другом плече - конденсорная линза и приемник излучения, выход которого сопряжен со входом цифрового вольтметра, выходы матрицы и цифрового вольтметра соединены со входом микропроцессора, выход которого соединен с монитором, при этом микропроцессор выполнен с возможностью регулирования измерительного телесного угла усреднения _изм в соответствии с величиной измеряемого показателя световозвращения и телесного угла усреднения _эт, соответствующего индикатрисе отражения от эталонного световозврвщателя, а также вычисления значения показателя R_св световозвращения инспектируемого световозвращателя, усредненного в телесном угле _изм по выражению

где Uсв^max напряжение сигнала, снимаемого с приемника излучения при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленное микропроцессором в телесном усреднения _изм;

U_эт ^max - напряжение сигнала, снимаемого с приемника излучения при регистрации излучения, отраженного от ЭС, и вычисленное микропроцессором в телесном угле усреднения _эт;

Ф_св ( _изм) - поток, падающий на матрицу ПЗС при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленный микропроцессором в телесном угле усреднения _изм;

Ф_СВ ( _эт) - поток, падающий на матрицу ПЗС при регистрации излучения, отраженного от инспектируемого световозвращателя, и вычисленный микропроцессором в телесном угле усреднения _эт;

R_эт - показатель световозвращения ЭС.

Известно, что показатель световозвращения (ПСВ) оптико-электронных приборов R(p) связан с их ЭПР (р) следующей зависимостью [В.Р.Муратов, Ю.А.Филимонов, А.Ф.Ширанков О терминологии, связанной со световозвращающим отражением, Оптико-механическая промышленность, 1980, №3]:

.

Из выражения (22) следует, что устройство для измерения показателя световозвращения оптико-электронных приборов по патенту 2202814 по классу G02В 23/12 одновременно позволяет измерять и ЭПР ОЭП.

Следует отметить, что входящая в устройство-прототип матрица ПЗС, как это следует из формулы изобретения, предназначена для регистрации индикатрисы отражения ОЭП. При этом индикатриса отражения регистрируется только для условий локации в дальней зоне, соответствующей бесконечному удалению плоскости анализа от лоцируемого ОЭП.

Недостатком устройства-прототипа является наличие систематических погрешностей измерения ЭПР и индикатрис отражения ОЭП, обусловленных:

- невозможностью учета зависимости текущего значения эталонных отражателей ЭПР от дальности их локации;

- невозможностью воспроизведения пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации формирующей оптической системой устройства;

- невозможностью контроля пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации;

- измерением значений ЭПР на неопределенной дальности от ОЭП до приемника, а индикатрисы отражения только в дальней зоне локации, соответствующей бесконечному удалению плоскости анализа от лоцируемого ОЭП;

- невозможностью определения знака кривизны волнового фронта индикатрисы отражения ОЭП;

- не контролируемым режимом работы систем автоматической регулировки усиления (АРУ) в электронном тракте матрицы ПЗС.

Указанные причины возникновения систематических погрешностей обусловлены принципами построения, способами технической реализации и установки основных элементов в оптическом тракте устройства-прототипа.

С целью подтверждения наличия приведенных выше причин возникновения систематических погрешностей предварительно проведем подробный анализ физических процессов, происходящих при облучении ОЭП лазерными пучками и переотражении ОЭП этих пучков в обратном направлении.

Физика процесса облучения ОЭП лазерным пучком заключается в следующем.

Известно, что при облучении ОЭП пучками с разными значениями знака и радиуса кривизны перетяжка сфокусированного объективом пучка будет смещаться относительно параксиального фокуса объектива. При этом:

абсолютная величина смещения перетяжки относительно параксиального фокуса объектива будет обратно пропорциональна радиусу кривизны волнового фронта;

при облучении ОЭП расходящимся пучком перетяжка относительно параксиального фокуса будет смещаться в сторону удаления от объектива;

при облучении ОЭП сходящимся пучком перетяжка относительно параксиального фокуса будет смещаться в сторону приближения к объективу;

при увеличении смещения точки пересечения прошедших через объектив его лучей с оптической с его осью относительно отражающей поверхностью оптического элемента, расположенного в фокальной плоскости объектива, значение ЭПР ОЭП будет уменьшаться.

Из изложенного выше следует, что помимо аберрационных характеристик объектива ОЭП форма индикатрисы отражения ОЭП и ее максимальное значение будет зависеть от значения знака и радиуса кривизны пучка излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП.

В тоже время известно, что в ходе процесса локации ОЭП, как правило, используются расходящиеся лазерные пучки [А.В.Павлов. Характеристики излучения и методы из расчета. М.: МО СССР, 1979, 148 с.].

При этом необходимо учитывать положение, согласно которому реальный лазерный пучок представляет собой волну, отличную как от сферической, так и от плоской волны. Так, основным отличием лазерного пучка от сферических и плоских пучков является то, что на заданном уровне энергии он ограничен однополосным гиперболоидом вращения, ось которого совпадает с осью резонатора [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986, 151 с.].

В общем случае огибающую лазерного пучка в плоскости, проходящей через его центр, можно описать с помощью следующего выражения [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986, 151 с.]:

где:

а - радиус пучка в перетяжке (минимальном сечении) пучка;

b - конфокальный параметр резонатора, равный значению Х, при котором значение асимптоты гиперболы равно а;

Х - расстояние от плоскости анализа до перетяжки.

Физический смысл параметров а и b наглядно виден на Фиг.5.

В [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986, 151 с.] также показано, что условия преобразования линзой лазерного пучка отличаются от условий преобразования сферического пучка, поскольку:

- плоскости перетяжек исходного и сформированного линзой пучков не являются взаимно сопряженными, то есть сформированная перетяжка не является изображением исходной;

- параметры гиперболы а и b, описывающей преобразованный линзой пучок, а также положение его перетяжки зависят от параметров исходной гиперболы, дальности от перетяжки исходного пучка до линзы и от фокусного расстояния линзы.

В дополнение к изложенному выше необходимо отметить следующий факт. Поскольку огибающая пучок гипербола сформирована множеством распространяющихся в нем отдельных лучей, то можно найти параметры отдельного крайнего луча, являющимся касательным к гиперболе в точке его соприкосновения с поверхностью линзы. В связи с тем, что толщина линзы мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей, линзу можно считать тонкой. Тогда уравнение касательной (искомого луча) примет следующий вид [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986, 151 с.]:

где: а и b - параметры гиперболы;

Х - текущее значение координаты на оси пучка;

Х _П - удаление линзы от перетяжки.

Из выражения (24) нетрудно получить формулу для оценки значения координаты точки пересечения касательной с осью Х относительно плоскости перетяжки:

Смысл значения Х ясно виден на Фиг.6.

Из выражения (25) следует, что точка пересечения крайних касательных в пучке с осью Х зависит только от параметра b гиперболы и дальности от линзы до перетяжки. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что на линзу, удаленную на расстояние Х_П от перетяжки, падает сферический фронт, радиус которого R определяется следующим выражением

С учетом (26) и простых геометрических соображений можно получить выражение, позволяющее проводить точную оценку угловой расходимости лазерного пучка, падающего на линзу (объектив ОЭП), удаленную на расстояние Х_П от перетяжки пучка зондирующего излучения

или

В тоже время в [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986, 151 с.] было показано, что основным требованием к пространственному подобию условий облучения входного зрачка лоцируемого ОЭП на реальных и моделируемых трассах является равенство углов прихода падающих на зрачок лучей в обоих этих случаях.

Поскольку выражения (27а) и (27б) справедливы для углов прихода в обоих случаях, то условие подобия может быть обеспечено только при выполнении следующего равенства:

где: R_ОЭП - радиус входного зрачка ОЭП;

Х_{П р} и Х _{П м} - дальность от входного зрачка ОЭП до перетяжки в реальных и моделируемых условиях соответственно;

Х_р и Х_м - дальность от точки пересечения касательных до плоскости перетяжки в реальных и моделируемых условиях.

Для последующего анализа с учетом (25) приведем выражение (28) к следующему виду

Анализ выражений (28) и (29) показывает следующее:

- для оценки и соблюдения условия подобия облучения входного зрачка в моделируемых условиях реальным условиям необходима исходная информация о параметрах гипербол, огибающих реальный и моделируемый пучки, а также значения расстояний между перетяжками этих пучков и входными зрачками реального и моделируемого ОЭП;

- в общем случае условия подобия могут быть обеспечены с помощью только одного коллиматора, реализующего заданные параметры гиперболы и расстояние до перетяжки.

Необходимо отметить, что практически во все вышеприведенные выражения в качестве исходных данных входят параметры гиперболы, огибающей исходный лазерный пучок. Однако, как правило, в паспортных данных на лазер они отсутствуют.

В тоже время они достаточно просто могут быть найдены экспериментально. Поскольку лазерные пучки имеют относительно небольшую расходимость (порядки десятка угловых минут) в качестве значения размера перетяжки можно принять радиус пятна на выходе лазера, который, как правило, приводится в паспорте на лазер. Данное приближение становится полностью справедливым для газовых лазеров, у которых перетяжка совпадает с выходным зеркалом. Для других типов лазеров принято считать, что перетяжка находится на середине резонатора. Параметр b_ИЗИ пучка может быть вычислен с помощью выражения, полученного из (23):

где:

a_u - радиус перетяжки пучка ИЗИ;

у(L) - радиус пятна на экране, удаленном на расстояние L от лазера.

Практика показывает, что для расчета b_ИЗИ реальных лазеров длина измерительной трассы может не превышать 10÷15 м. Необходимо отметить, что практически во все вышеприведенные выражения в качестве исходных данных входят параметры гиперболы, огибающей исходный лазерный пучок. Однако, как правило, в паспортных данных на лазер они отсутствуют.

В тоже время они достаточно просто могут быть найдены экспериментально. Поскольку лазерные пучки имеют относительно небольшую расходимость (порядки десятка угловых минут) в качестве значения размера перетяжки можно принять радиус пятна на выходе лазера, который, как правило, приводится в паспорте на лазер. Данное приближение становится полностью справедливым для газовых лазеров, у которых перетяжка совпадает с выходным зеркалом. Для других типов лазеров принято считать, что перетяжка находится на середине резонатора. Параметр b_ИЗИ пучка может быть вычислен с помощью выражения, полученного из (23):

где:

a_u - радиус перетяжки пучка ИЗИ;

у(L) - радиус пятна на экране, удаленном на расстояние L от лазера.

Практика показывает, что для расчета b_ИЗИ реальных лазеров длина измерительной трассы может не превышать 10÷15 м.

В тоже время из законов геометрической оптики следует, что при удалении ОЭП от источника лазерного излучения угловая расходимость пучка, прошедшего через входной зрачок ОЭП, будет уменьшаться, что в свою очередь, приведет к уменьшению расстояния между параксиальным фокусом объектива ОЭП и плоскостью перетяжки с фокусированного им пучка.

В качестве примера была проведена численная оценка зависимости углов прихода касательных к огибающей пучок гиперболе в плоскости входного зрачка ОЭП от дальности. При расчетах использовались следующие исходные данные:

- радиус перетяжки лазерного пучка а равен 2 мм;

- параметр гиперболы пучка b, определяющий его угловую расходимость, равен 2000 мм;

- расстояние между входной линзой коллиматора и перетяжкой равно 100 мм;

- фокусные расстояния входной и выходной линзы коллиматора соответственно равны 20 и 200 мм, коэффициент увеличения коллиматора равен 10;

- расходимость пучка на выходе коллиматора равна одной угловой минуте.

С помощью выражений, приведенных в [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986, 151 с.] для перечисленных выше исходных данных были рассчитаны параметры пучка на выходе коллиматора и в плоскости входного зрачка ОЭП для различных расстояний между зрачком и локатором. Расчеты показали, что выходящий из коллиматора локатора пучок характеризуется следующими параметрами:

- диаметр пучка на выходе коллиматора равен 19.95 мм;

- угловая расходимость, составляющая одну минуту, достигается при расстоянии 0.55 мм от входной линзы коллиматора к выходной;

- параметр b (см. Фиг.6) равен 5.276·10³ мм;

- расстояние между перетяжкой и выходной линзой равно 7.234·10 ⁴ мм (пучок расходящийся).

На Фиг.7 приведена графическая зависимость этих углов от дальности локации. На Фиг.7 по оси Х отложены значения угловой расходимости лазерного пучка, проходящего через входной зрачок ОЭП, выраженные в радианах, а по оси Х - расстояние между ОЭП и перетяжкой лазерного пучка, выраженное в сантиметрах. Из приведенной на Фиг.7 зависимости видно, что значения углов прихода касательных к гиперболам пучков во входном зрачке ОЭП диаметром 50 мм на дальностях 3 км и 30 м соответственно равны 8.132·10^-6 и 2.443·10 ^-4 рад. Эти значения соответствуют 1,8 угловым секундам и 8.4 угловым минутам. То есть при изменении дальности локации с 30 м до 3 км угол прихода изменяется почти в триста раз.

Этот факт показывает, что в ходе измерения характеристик отражения ОЭП (ЭПР и индикатрисы) в лабораторных условиях необходимо воспроизводить условия облучения входного зрачка ОЭП, соответствующие реальным (заданным) дальностям локации.

Физика процесса отражения ОЭП лазерного пучка заключается в следующем.

В описании изобретения по патенту №2202814 по классу G02В 23/12 утверждается, что «По своему определению ПСВ, а значит и ЭПР, является внутренней характеристиками ОЭП, не зависящей от условий подсвета и приема отраженного излучения». Однако там же, в описании излагается следующее: « Излучение подсвета проходит через объектив в прямом ходе, фокусируется им, например, в плоскости приемника излучения, отражается от него, а затем проходит через объектив, но уже в обратном ходе. В результате после прохождения выходного зрачка ОЭП формируется индикатриса ретро-отраженного излучения, угловой размер которой не превышает несколько мрад., а форма определяется конструкцией оптической системы и ее аберрационными характеристиками».

В тоже время известно, что оптический тракт ОЭП при прохождении лазерных пучков в прямом и обратном направлениях можно заменить эквивалентным коллиматором, состоящим из двух линз (объективов). При этом фокусы обеих линз эквивалентного коллиматора равны фокусному расстоянию объектива ОЭП, а расстояние между ними равно удвоенному фокусному расстоянию f_об объективов ОЭП плюс (минус) удвоенная величина смещения фокуса относительно отражающей поверхности, находящейся вблизи фокальной плоскости.

Из этого положения следует, что основным параметром конструкции оптической системы, определяющим значение ПСВ и форму индикатрисы отражения, является положения отражающей поверхности оптического элемента, находящегося вблизи фокальной плоскости объектива ОЭП, относительно параксиального фокуса этого объектива. При этом:

абсолютное значение углового размера индикатрисы отражения прямо пропорционально величине смещения отражающей поверхности относительно параксиального фокуса объектива, а значение ЭПР обратно пропорционально квадрату этого смещения;

при совпадении точки пересечения прошедших через объектив его лучей с оптической его осью и отражающей поверхностью оптического элемента, расположенного в фокальной плоскости объектива, значение ЭПР ОЭП будет максимальным;

при смещении отражающей поверхности относительно параксиального фокуса объектива ближе к объективу индикатриса отражения будет расходящейся;

при удалении отражающей поверхности относительно параксиального фокуса объектива от объектива индикатриса отражения будет сходящейся.

В последнем случае индикатриса отражения такого ОЭП будет представлять собой сначала сходящийся, а потом, с ростом дальности, расходящийся пучок. При этом знак кривизны волнового фронта пучка такой индикатрисы и его поперечное сечение, а значит и ее максимальное значение, будут зависеть от расстояния между входным зрачком ОЭП и плоскостью анализа (приема) отраженного от ОЭП излучения, т.е. от условий приема.

Из изложенного выше следует, что помимо аберрационных характеристик объектива ОЭП форма индикатрисы отражения ОЭП и ее максимальное значение также будут зависеть от направления и величины смещения отражающей поверхности относительно параксиального фокуса объектива.

Также известно, что:

направление и величина смещения отражающей поверхности относительно параксиального фокуса объектива могут изменяться в процессе функционирования ОЭП по прямому функциональному назначению;

современные телевизионные системы и приборы ночного видения имеют в составе оптического тракта устройства наводки на резкость изображения в зависимости от текущего значения дальности наблюдения;

при наводке на резкость изображения объекта, находящегося на конечном значении дальности, происходит смещение отражающей поверхности в сторону удаления от входного зрачка объектива ОЭП на величину АХ в сторону удаления от объектива [Прикладная оптика / Дубовик А.С.и др.; Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1982, 621 с. (стр.40-41)].

Рассчитанные в качестве примера значения Х в зависимости от дальности фокусировки L _ф для трех типов объективов приведены на Фиг.8, где разным линиям соответствуют объективы с разными фокусными расстояниями f:

Из Фиг.8 следует, что с ростом расстояния между целью и ОЭП значение Х уменьшается. При этом необходимо учитывать, что, как это показано на Фиг.8, с ростом расстояния угловая расходимость пучка в плоскости входного зрачка ОЭП также будет уменьшаться. Это, в свою очередь, приведет к:

смещению перетяжки сфокусированного пучка ближе к параксиальному фокусу объектива;

изменению расстояния между перетяжкой и отражающей поверхностью;

изменению угловой расходимости индикатрисы отражения ОЭП и ее максимального значения.

В качестве примера на Фиг.9 приведена зависимость ЭПР идеального ОЭП (объектив ОЭП с фокусом, равным 150 мм не имеет аберраций) от расстояния между перетяжкой лазерного пучка и плоскостью входного зрачка ОЭП при фокусировке ОЭП на расстояние 2,1 км.

Графическая зависимость, приведенная на Фиг.9, показывает, что ЭПР ОЭП в зависимости от дальности локации может изменяться на порядки относительно своего максимального значения. При этом из изложенного выше, следует, что если ОЭП будет сфокусирован на другую дальность, то максимум сместиться в соответствии с этой дальностью.

Таким образом, в общем случае, на характеристики отраженного ОЭП излучения (ее ЭПР и индикатрису) в плоскости их анализа помимо состава и характеристик элементов его оптического тракта существенным образом оказывают влияние:

тип и параметры источника зондирующего излучения (ИЗИ);

пространственные условия оптической локации (расстояние между выходным зрачком ИЗИ и входным зрачком ОЭП, расстояние между входными зрачками ОЭП и приемного канала);

пространственные условия процесса функционирования ОЭП по прямому функциональному назначению (дальность его фокусировки).

Из приведенного выше следуют следующие основные выводы:

в ходе измерения характеристик отражения ОЭП (ЭПР и индикатрисы) в лабораторных условиях необходимо воспроизводить условия облучения входного зрачка ОЭП, соответствующие реальным (заданным) дальностям локации;

в ходе измерения характеристик отражения ОЭП (ЭПР и индикатрисы) в лабораторных условиях необходимо воспроизводить дальность приема отраженного от ОЭП излучения, соответствующую реальной (заданной) дальностям локации;

в ходе калибровки измерительного тракта устройства необходимо учитывать зависимости текущего значения ЭПР эталонных отражателей от дальности их локации.

С учетом изложенных выше особенностей локации ОЭП в реальных условиях определим причины возникновения систематических погрешностей, обусловленных принципами построения, способами технической реализации и установки основных элементов в оптическом тракте устройства-прототипа, а также пути их устранения в заявляемом устройстве.

1.1. Невозможность учета зависимости текущего значения ЭПР эталонных отражателей от дальности их локации в устройстве-прототипе.

Зависимость текущего значения эталонных отражателей ЭПР от дальности их локации была показана выше при анализе известного устройства для определения эффективной площади рассеяния ОЭП (см., например. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. - М.: Советское радио, 1972, с.41). Однако согласно формулы на изобретение на устройство-прототип в нем эта зависимость не учитывается.

1.2 Невозможность воспроизведения пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации формирующей оптической системой в устройстве-прототипе.

Отсутствие в устройстве-прототипе средств регулировки угловой расходимости лазерного пучка в плоскости входного зрачка ОЭП приводит к неопределенности значения расстояния, на котором измеряются ЭПР и индикатриса отражения ОЭП, а значит и к систематическим погрешностям их измерения.

1.3. Невозможность контроля пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации в устройстве-прототипе.

С учетом основных положений формулы изобретения отсутствие в устройстве-прототипе средств контроля угловой расходимости лазерного пучка в плоскости входного зрачка ОЭП приводит к невозможности определения значения расстояния между локатором и ОЭП, на котором измеряются ЭПР и индикатриса отражения ОЭП, а значит и к систематическим погрешностям их измерения.

1.4. Измерение значений ЭПР ОЭП в устройстве-прототипе на неопределенной дальности от ОЭП до приемника, а индикатрисы отражения только в дальней зоне локации, соответствующей бесконечному удалению плоскости анализа от лоцируемого ОЭП.

Известно, что приемный коллиматор устройства-прототипа, расположенный между первым и вторым светоделителем, осуществляет масштабирование пространственных (а значит и энергетических характеристик) отраженного от ОЭП излучения [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов: М.: Радио и связь, 1986, 151 с.].

В тоже время известно, что оптический тракт ОЭП при прохождении лазерных пучков в прямом и обратном направлениях можно заменить эквивалентным коллиматором, состоящим из двух линз (объективов).

Этот факт позволяет сделать следующие выводы:

на выходе ОЭП формируется лазерный пучок, огибающей которого также является гипербола;

на выходе премного коллиматора также будет формироваться пучок, огибающей которого будет гиперболоид вращения.

Проведем определение масштабных коэффициентов, определяющих длину моделируемой приемным коллиматором трассы с учетом следующих фактов:

огибающей прошедшего через приемный коллиматор пучка является гиперболоид;

приемный коллиматор осуществляет масштабирование параметров выходящего из него пучка как по вертикали, так и по горизонтали;

масштаб по вертикали (оси Y) равен отношению перетяжки пучка на выходе коллиматора к размеру перетяжки пучка на выходе ОЭП;

масштаб по горизонтали (оси X) равен отношению значению удаления перетяжки пучка на выходе коллиматора от его окуляра к значению удаления перетяжки пучка от входного зрачка ОЭП.

Пусть на вход коллиматора поступает пучок, огибающая гипербола которого имеет параметры a_u и b_u, перетяжка пучка удалена от входной линзы коллиматора на расстояние Х_u. На выходе коллиматора формируется пучок, огибающей которого также является гипербола с параметрами а_м и b _м, при этом перетяжка сформированного приемным коллиматором пучка удалена от выходной линзы коллиматора на расстояние Х _м.

Применительно к данному случаю параметры a _м и Х_м можно рассчитать с помощью выражений, приведенных в [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь,1986, 151 с.].

Так параметр a₁ на выходе первой по ходу лучей линзы (объектива коллиматора) равен:

Поскольку удаление перетяжки сформированного ОЭП пучка от входного зрачка приемного объектива значительно больше фокусного расстояния этого объектива с достаточной для последующих оценок точностью можно считать, что перетяжка преобразованного объективом приемного коллиматора пучка совпадает с фокусом его объектива. В этом случае размер перетяжки пучка на выходе приемного коллиматора будет равен:

Поскольку, как правило, Х_и и в_и примерно равны, то выражение (33) с достаточной степенью точности можно представить в следующем виде:

Из выражения (32) следует, что приемный коллиматор уменьшает масштаб выходящего из него пучка по оси Y по отношению к исходному пучку с коэффициентом, равным . Этот коэффициент означает, что для соблюдения пространственного, а главное, энергетического подобия условий регистрации отраженного от ОЭП излучения диаметр входного зрачка объектива (согласно формуле изобретения по патенту №2202814 конденсорной линзы) канала измерения значения ЭПР на выходе приемного коллиматора должен быть в К_Y раз меньше, чем диаметр входного зрачка объектива канала измерения значения ЭПР в натурных условиях.

Значение удаления перетяжки пучка на выходе коллиматора от его окуляра Х_м с учетом аналогичных рассуждений будет определяться следующим выражением:

Из выражения (33) следует, что приемный коллиматор уменьшает масштаб выходящего из него пучка по оси Х по отношению к исходному пучку с коэффициентом, равным . Этот коэффициент означает, что для соблюдения пространственного и энергетического подобия условий регистрации отраженного от ОЭП излучения, удаление входного зрачка объектива канала измерения значения ЭПР на выходе приемного коллиматора от его окуляра должно быть в К_X раз меньше, чем удаление входного зрачка объектива канала измерения значения ЭПР от ОЭП в натурных (заданных) условиях локации.

Поскольку в формуле изобретения по патенту №2202814 расстояние между окуляром приемного коллиматора и конденсорной линзой не оговорено, а также не определены масштабные коэффициенты преобразования отраженного от ОЭП пучка по оси Y и оси X, то судить о моделируемом с помощью приемного коллиматора расстоянии между входным зрачком ОЭП и приемником не предоставляется возможным.

Ранее было показано, что входящая в устройство-прототип матрица ПЗС предназначена для регистрации индикатрисы отражения ОЭП. При этом индикатриса отражения регистрируется только для условий локации в дальней зоне, соответствующей бесконечному удалению плоскости анализа от лоцируемого ОЭП.

Этот факт обусловлен тем, что поскольку плоскость установки матрицы ПЗС оптически сопряжена с фокальной плоскостью проекционной системы, то пространственное распределение интенсивности излучения в этой плоскости соответствует индикатрисе отражения при бесконечной дальности локации ОЭП, так как проекционная система осуществляет преобразование Фурье пространственно-энергетических характеристик падающего на нее пучка излучения [М.Руссо, Ж.П.Матье, Задачи по оптике. М.: Мир, 1976, 414 с., стр.388], справедливого только для дальней зоны локации.

Таким образом, измерение значений ЭПР ОЭП в устройстве-прототипе осуществляется на неопределенной дальности от ОЭП до приемника, а индикатрисы отражения только в дальней зоне локации, соответствующей бесконечному удалению плоскости анализа от лоцируемого ОЭП. Этот факт обуславливает наличие систематических ошибок измерения ЭПР и индикатрисы отражения ОЭП, обусловленных неправомерностью:

сопоставления результатов измерений значений ЭПР индикатрисы отражения, полученных с помощью приемника для одной (не известной) дальности локации, и полученных с помощью матрицы на ПЗС для бесконечной дальности локации;

регулирования измерительного телесного угла усреднения _изм в соответствии с величиной измеряемого показателя световозвращения и телесного угла усреднения _эт, соответствующего индикатрисе отражения от эталонного световозврвщателя.

Таким образом наличие таких неправомерностей приводит к систематическим ошибкам измерения ЭПР и индикатрис отражения ОЭП с помощью устройства-прототипа.

1.5. Невозможность определения знака кривизны волнового фронта индикатрисы отражения ОЭП в устройстве-прототипе.

Как было показано ранее, устройство-прототип кроме измерения ЭПР позволяет регистрировать индикатрису отражения ОЭП с помощью матрицы ПЗС. Однако поскольку плоскость установки матрицы ПЗС оптически сопряжена с фокальной плоскостью проекционной системы, то знак кривизны волнового фронта, образующего индикатрису отражения ОЭП, однозначно определить невозможно. Это объясняется тем, что в плоскости установки матрицы ПЗС формируется пятно, размеры которого не зависят от знака кривизны волнового фронта падающего на входной зрачок проекционной системы расходящегося (положительный радиус кривизны) или сходящегося (отрицательный радиус кривизны) пучка лазерного излучения.

Геометрический смысл этого положения иллюстрируется Фиг.10. Из Фиг.10 видно, что:

при определенных (например, равных) углах падения крайних лучей расходящегося и сходящегося пуков лазерного излучения в фокальной плоскости формируются пятна излучения одинакового диаметра;

информацию о знаке кривизны волнового фронта по диаметру пятна в фокальной плоскости получить не возможно.

Таким образом, устройство-прототип не позволяет определять знак кривизны волнового фронта измеряемой индикатрисы отражения.

1.6. Наличие систематических погрешностей при измерении амплитудных характеристик индикатрисы отражения ОЭП из-за не контролируемого режима работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС в устройстве-прототипе.

Известно, что в состав электронного тракта существующих матриц на основе ПЗС входит система АРУ [Павлов Н.И., Прилипко А.Я., Старченко А.Н., Метод и аппаратура для получения карт коэффициентов яркости. / Оптический журнал, Том 68, №6, 20001, с 68]. При этом основным назначением АРУ является плавная регулировка времени накопления и управление «электронным затвором», которые, в свою очередь, осуществляют плавную подстройку уровня видеосигнала на выходе матрицы. В автоматическом режиме работы камеры контур АРУ «приближает» показатель формируемого изображения к опорному значению. Обычно оно задается так, чтобы среднему значению амплитуды сигнала в кадре было на уровне 20...30% от максимального. Известно, что АРУ современных камер на основе ПЗС обеспечивают плавную подстройку уровня видеосигнала на выходе матрицы при изменении уровня освещенности на два порядка. Следует отметить, что только в специализированных камерах помимо автоматического режима реализуется ручное или программное управление параметрами АРУ матрицы на основе ПЗС [Павлов Н.И., Прилипко А.Я., Старченко А.Н. Метод и аппаратура для получения карт коэффициентов яркости. / Оптический журнал, Том 68, №6, 20001, с 68].

В тоже время в формуле на изобретение по патенту №2202814 не указан тип ПЗС матрицы с точки зрения реализации автоматического, ручного или программного режима управления параметрами АРУ матрицы на основе ПЗС.

В свою очередь при использовании в составе электронного тракта существующих стандартных матриц на основе ПЗС системы АРУ будет приводить к следующему.

Как было отмечено ранее, целью измерения амплитудных характеристик отраженного от ОЭП излучения является дальнейшее определение на основе полученных данных значений эффективной площади рассеяния этих ОЭП. При этом значение ЭПР может определяться по величине отраженного от ОЭП сигнала U ₀, измеренной с помощью предварительно прокалиброванной с использованием ЭС аппаратурой.

Ранее было показано, что наиболее распространенным способом калибровки является калибровка по эталонному отражателю, размещаемому на той же дальности, что и исследуемое ОЭП. При условии линейности рабочей характеристики измерительного устройства значение g_э определяется как

где _эт - ЭПР ЭС (ЭС), U _эт - величина сигнала, отраженного от ОЭ.

Из выражения (34) следует, что для измерения текущих значений ЭПР ОЭП необходимо провести калибровку средств измерения уровня принимаемого сигнала. В рассматриваемом случае средством преобразования оптического излучения в электрический сигнал является матрица ПЗС, имеющая аналоговый выход. Сигнал с выхода матрицы поступает на плату видеоадаптера ПЭВМ и преобразуется в изображение на экране монитора. Режим работы дисплея при этом, как правило, монохромный, черно-белый, при котором отображаются 256 градаций яркости. Оцифровка изображения происходит с текущим шагом дискретизации градаций яркости. Из вышеизложенного вытекают следующие требования к порядку и условиям проведения калибровки средства измерения и измерения уровня принимаемого от ОЭП сигнала с помощью матрицы ПЗС:

матрица должна работать в линейном режиме;

динамический диапазон электрического сигнала на выходе матрицы должен быть соотнесен с динамическим диапазоном дисплея ПЭВМ, рабочая точка видеоадаптера должна находиться на середине линейного участка рабочей характеристики;

характеристики электрического сигнала на выходе матрицы (среднее значение и дисперсия) при измерении ЭС не должны существенно отличаться от соответствующих характеристик сигнала при измерении ОЭП.

Однако известно, что текущие значения ЭПР исследуемых ОЭП могут в значительной степени отличаться от ЭПР эталонных отражателей, а сами уровни принимаемых от них сигналов могут колебаться в зависимости от моделируемых условий оптической локации в широких (заранее не известных) пределах. В этом случае наличие в составе электронного тракта существующих матриц ПЗС систем АРУ будет приводить к оцифровке изображения с разным (в зависимости от максимального значения облученности на поверхности матрицы) шагом дискретизации градаций яркости. Или другими словами будет приводить к систематическим погрешностям при измерении амплитудных характеристик индикатрисы отражения ОЭП из-за не контролируемого режима работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС.

Таким образом, наличие в составе электронного тракта устройства измерения существующих стандартных матриц на основе ПЗС систем АРУ будет приводить к систематическим погрешностям при измерении амплитудных характеристик индикатрисы отражения ОЭП из-за не контролируемого режима работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС. При этом, как указывалось выше, из-за не контролируемого режима работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС измеренное значение ЭПР может отличаться от истинного значения на два порядка.

Техническим результатом заявляемого устройства для измерения характеристик светорассеяния оптико-электронных приборов, является повышение точности устройства за счет устранения систематических погрешностей, обусловленных невозможностью:

- воспроизведения и контроля пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации формирующей оптической системой устройства;

- воспроизведения заданной дальности между ОЭП и приемником при измерении значения ЭПР и индикатрисы отражения ОЭП;

- учета зависимости текущего значения эталонных отражателей ЭПР от дальности их локации;

- определения знака кривизны волнового фронта излучения, отраженного от ОЭП;

- устранения систематических погрешностей при измерении амплитудных характеристик индикатрисы отражения ОЭП из-за не контролируемого режима работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС.

Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство для измерения показателя световозвращения оптико-электронных приборов, содержащее источник излучения и последовательно установленные по ходу его излучения формирующую оптическую систему, инспектируемый и эталонный световозвращатели, два светоделителя, приемный коллиматор, первую проекционную систему и первую матрицу ПЗС, при этом выход первой матрицы ПЗС соединен с входом микропроцессора, выход которого соединен с монитором, дополнительно между приемным коллиматором и первой проекционной системой введен первый прозрачный матовый экран, установленный от окуляра приемного коллиматора на расстояние, равное значению моделируемого расстояния между локатором и инспектируемым световосвращателем, деленного на квадрат коэффициента увеличения приемного коллиматора, умноженный на корень из двух, причем матовая поверхность первого прозрачного матового экрана оптически сопряжена первой проекционной системой с поверхностью первой матрицы ПЗС, при этом формирующая оптическая система выполнена из трех последовательно расположенных по ходу распространения пучка излучения формирующих коллиматоров, второго светоделителя, измерительного коллиматора, плоскопараллельной пластины, второго матового прозрачного экрана, второй проекционной системы и второй матрицы ПЗС, причем формирующие коллиматоры обращены окулярами к источнику излучения, оптические оси формирующих коллиматоров совпадают с оптической осью проходящего через них пучка, расстояния между первым и вторым, а также вторым и третьим формирующими коллиматорами равны сумме параксиальных фокусов объектива предыдущего коллиматора и окуляра последующего, второй светоделитель установлен в оптическом промежутке между вторым и третьим по ходу распространения лазерного пучка формирующими коллиматорами под углом к оптической оси проходящего через него пучка излучения, измерительный коллиматор находится в плече второго светоделителя, которое отражает падающий на него пучок излучения, обращен к второму светоделителю объективом и его оптическая ось совмещена с оптической осью падающего на него пучка, на пути распространения выходящего из измерительного коллиматора пучка под углом к оптической оси проходящего через нее пучка установлена плоскопараллельная стеклянная пластина, на пути распространения отраженного от плоскопараллельной стеклянной пластины пучка последовательно установлены второй матовый прозрачный экран, вторая проекционная система и вторая матрица ПЗС, второй матовый прозрачный экран установлен перпендикулярно оптической оси падающего на него пучка, центр второго матового прозрачного экрана совмещен с оптической осью падающего на него пучка, оптические оси второй проекционной системы и второй матрицы ПЗС перпендикулярны плоскости второго матового прозрачного экрана и совмещены с его центром, матовая поверхность второго матового прозрачного экрана второй проекционной системой оптически сопряжена с поверхностью второй матрицы ПЗС, при этом эталонный световозвращатель установлен рядом с инспектируемым световозвращателем в пучке зондирующего излучения, выход второй матрицы подключен к входу микропроцессора, выполненного с возможностью вычисления значения ЭПР инспектируемого световозвращателя по выражению:

_св=g_эт(L)U ₀,

где: ,

,

,

,

L - значение моделируемого расстояния между локатором и инспектируемым световосвращателем;

R_з - радиус кривизны отражающей поверхности ЭС;

_з - коэффициент отражения отражающей поверхности ЭС;

U₀ - величина сигнала, пропорционального уровню отраженного от инспектируемого световозвращателя излучения в плоскости его приема.

Выше было показано, что в общем случае на характеристики отраженного ОЭП существенным образом оказывают пространственные условия оптической локации, а именно расстояние между выходным зрачком ИЗИ и входным зрачком ОЭП. При этом в зависимости от моделируемой дальности локации ОЭП значения углов прихода касательных к гиперболам пучков во входном зрачке ОЭП должны изменяться примерно на два порядка.

Известно, что для преобразования пространственных характеристик лазерных пучков (поперечного сечения и угловой расходимости), как правило, используются коллиматоры. При этом основные требования к такому коллиматору вытекают из следующих геометрических соображений:

коллиматор должен формировать пучок лазерного излучения, диаметр которого больше диаметра входного зрачка исследуемого ОЭП;

коллиматор должен формировать пучок лазерного излучения с регулируемой в пределах единиц-десятков угловых секунд угловой расходимостью.

Первое условие реализуется за счет подбора диаметров и фокусных расстояний входящих в состав коллиматора линз. Так размеры диаметра выходной линзы должны превосходить размеры диаметра входного зрачка исследуемого ОЭП, а значение коэффициента увеличения коллиматора Гк (отношение фокуса объектива f_об к фокусу окуляра f_ок ) должно выбираться исходя из следующего соотношения:

где Доб - диаметр объектива коллиматора; д _ипи - диаметр пучка лазерного излучения на выходе источника поражающего излучения.

Так при Доб=20 см и д _ипи=0.25 см значение Гк должно быть не менее 80.

Однако известно, что точная регулировка угловой расходимости лазерного пучка в пределах единиц-десятков угловых секунд путем изменения расстояния между окуляром и объективом коллиматора с большим коэффициентом увеличения представляет большие технические трудности, поскольку в этом случае перемещения окуляра относительно объектива будут составлять десятые-сотые доли миллиметра.

При этом традиционные методы контроля расходимости лазерного пятна [ГОСТ 26086-84 Лазеры. Методы измерений диаметра пучка и энергетической расходимости лазерного излучения будут приводить к значительным погрешностям измерений, поскольку измеряемые значения угловой расходимости находятся в пределах единиц-десятков угловых секунд.

Известны способ и устройство для контроля радиуса кривизны волнового фронта, обеспечивающие требуемую точность измерения угловой расходимости коллимированных лазерных пучков [Н.Г.Киселев, Контроль волнового фронта лазерного пучка. Оптико-механическая промышленность, 1983, №4, стр.13-14], которые основаны на использовании интерферометра сдвига. Однако процедуры установки каждый раз для проведения измерений элементов интерферометра в оптический тракт стенда, его юстировки, контроля радиуса кривизны волнового фронта и расчета по его значениям угловой расходимости лазерного пучка при использовании этого устройства достаточно трудоемки. При этом точность измерения значения радиуса кривизны волнового фронта будет соизмерима с величиной изменения этого радиуса за счет изменения угловой расходимости на единицы секунд.

С целью обеспечения возможности упрощения процедур и повышения точности воспроизведения и контроля пространственных характеристик формируемого облучающего ОЭП пучка в известном устройстве для измерения ЭПР (ПСВ) оптико-электронных приборов, содержащем формирующую систему (ФС) предложено эту систему выполнить в виде трех формирующих пространственные характеристики зондирующего излучения в плоскости лоцируемого ОЭП коллиматоров (далее просто формирующих коллиматоров), светоделителя, измерительного коллиматора, плоскопараллельной стеклянной пластины, прозрачного матового экрана, проекционной системы и матрицы на основе ПЗС.

При этом в формирующей системе:

три формирующих коллиматора расположены по ходу распространения пучка излучения, обращены окулярами к источнику лазерного излучения и их оптические оси совпадают с оптической осью проходящего через них пучка;

расстояния между первым и вторым, а также вторым и третьим формирующими коллиматорами равны сумме параксиальных фокусов объектива предыдущего коллиматора и окуляра последующего;

светоделитель установлен в оптическом промежутке между вторым и третьим по ходу распространения лазерного пучка формирующими коллиматорами под углом к оптической оси проходящего через него пучка лазерного излучения;

измерительный коллиматор установлен в плече светоделителя, которое отражает падающий на него пучок лазерного излучения, обращен к этому светоделителю объективом и его оптическая ось совмещена с оптической осью падающего на него пучка лазерного излучения;

плоскопараллельная пластина установлена на пути распространения выходящего из измерительного коллиматора пучка лазерного излучения под углом к оптической оси пучка;

прозрачный матовый экран установлен на плече плоскопараллельной пластины, которое отражает падающий на него пучок лазерного излучения, перпендикулярно этому пучку, и центр экрана совмещен с оптической осью падающего на него пучка;

проекционная система и матрица ПЗС последовательно установлены на пути распространения проходящего через прозрачный матовый экран пучка;

оптические оси проекционной системы и матрицы на основе ПЗС совмещены с оптической осью проходящего через прозрачный матовый экран пучка;

матовая поверхность экрана проекционной системой оптически сопряжена с поверхностью матрицы ПЗС.

Разбиение ФС на три последовательно размещенных на одной оптической оси формирующих коллиматора и отдельный измерительный коллиматор предлагается исходя из следующих соображений.

Первый формирующий коллиматор осуществляет предварительное расширение пучка источника зондирующего излучения (ЗИ) и формирует на выходе пучок с минимально возможной расходимостью. Второй формирующий коллиматор предназначен для плавного изменения угловой расходимости проходящего через него пучка ЗИ. Поскольку плавное изменение угловой расходимости в рассматриваемом случае достигается путем плавного изменения расстояния между его окуляром и объективом, значение его коэффициента увеличения должно быть небольшим (порядка 1-2). Третий по ходу луча формирующий коллиматор осуществляет окончательное расширение пучка ЗИ до необходимых размеров и формирует практически параллельный пучок. При этом суммарный коэффициент увеличения системы из трех формирующих коллиматоров должен быть равен Гк, требования к значению которого определены выше (см. (37)).

Численные значения коэффициентов увеличения первого и третьего формирующих коллиматоров выбираются исходя из следующих положений.

Ранее указывалось, что в ходе проведения экспериментов возникает задача контроля условий облучения входного зрачка исследуемого ОЭП (расходимости облучающего его входной зрачок пучка ЗИ), решение которой традиционными методами приводит к большим погрешностям и трудозатратам. С целью повышения точности измерения угловой расходимости облучающего входной зрачок ОЭП пучка предложен способ, суть которого заключается в следующем.

В оптический промежуток между вторым и третьим формирующими коллиматорами под углом к оси пучка устанавливается первый светоделитель, поперечные размеры которых превышают диаметр проходящего через них пучка. На оси отраженного первым светоделителем пучка объективом к нему устанавливается измерительный коллиматор, на выходе которого устанавливается измеритель угловой расходимости пучка ЗИ. Пусть коэффициент увеличения третьего формирующего коллиматора равен Г3, а измерительного Ги. Из простых геометрических соображений следует, что:

поскольку при изменении расходимости пучка на входе третьего формирующего и измерительного коллиматоров в N раз расходимость пучка на выходе третьего формирующего коллиматора изменится в N/Г3 раз, а на выходе измерительного коллиматора в N·Ги раз, точность измерения угловой расходимости за счет использования измерительного коллиматора увеличивается в Г3×Ги раз;

с целью повышения точности измерения угловой расходимости за счет использования измерительного коллиматора значения коэффициентов увеличения Г3 и Ги должны выбираться максимально возможными.

При этом значение коэффициента увеличения Ги ограничивается только наличием линз хорошего качества с максимально большими и минимальными фокусными расстояниями. Проведенное макетирование оптического тракта системы формирования пучка (СФП) ЗИ показало, что рациональными (технически реализуемыми) значениями коэффициентов увеличения формирующего и измерительного коллиматоров являются следующие: Г3=10 и Ги=20. В этом случае при изменении угловой расходимости на входе третьего формирующего и измерительного коллиматоров на 10 угловых секунд угловая расходимость на выходе третьего формирующего коллиматора увеличится на 1 угловую секунду, а на выходе измерительного коллиматора на 200 угловых секунд (почти на три с половиной минуты). Этот факт позволяет сделать вывод о том, что использование предложенной схемы позволяет повысить точность измерения угловой расходимости пучка на выходе в Г3×Ги раз. Из выражения (35) следует, что при коэффициенте увеличения второго коллиматора, равного 2, коэффициент увеличения первого коллиматора должен быть не менее 4.

При определении расстояний между формирующими коллиматорами учитывались следующие положения, согласно которым [И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля, Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986, 151 с.]:

при совмещении переднего фокуса линзы с плоскостью перетяжки перетяжка преобразованного ее пучка находится в задней фокальной плоскости этой линзы;

при совмещении переднего фокуса линзы с плоскостью перетяжки формируется пучок с минимальной угловой расходимостью;

при расстоянии между выходной линзой первого коллиматора и входной линзой второго коллиматора, равном сумме их фокусных расстояний и условии настройки каждого на минимум расходимости, на выходе второго коллиматора также формируется пучок с минимальной расходимостью.

Задачу измерения угловой расходимости пучка на выходе измерительного коллиматора предлагается решить с помощью соответствующего измерителя, состоящего из расположенной по ходу выходящего из измерительного коллиматора пучка плоскопараллельной стеклянной пластины, переотражающей часть падающего на нее пучка на поверхность первого матового прозрачного экрана, первой проекционной системы и первой матрицы на основе ПЗС. При этом:

плоскопараллельная пластина установлена на пути распространения выходящего из измерительного коллиматора пучка лазерного излучения под углом к оптической оси пучка;

прозрачный матовый экран установлен на плече плоскопараллельной пластины, которое отражает падающий на него пучок лазерного излучения, перпендикулярно этому пучку, а центр экрана совмещен с оптической осью падающего на него пучка;

проекционная система и матрица ПЗС последовательно установлены на пути распространения проходящего через прозрачный матовый экран пучка;

оптические оси проекционной системы и матрицы на основе ПЗС совмещены с оптической осью проходящего через прозрачный матовый экран пучка;

матовая поверхность экрана проекционной системой оптически сопряжена с поверхностью матрицы ПЗС.

Как показано в [Н.Г.Киселев, Контроль волнового фронта лазерного пучка. Оптико-механическая промышленность, 1983, №4, стр.13-14], за счет интерференции пучков, отраженных от плоских поверхностей плоскопараллельной стеклянной пластины на матовой поверхности первого экрана, будет формироваться интерференционная картина в виде полос. При этом расстояние между полосами h будет однозначно зависеть от следующих параметров:

значения радиуса кривизны волнового фронта (угловой расходимости) падающего на пластину пучка R;

толщины плоскопараллельной стеклянной пластины Н;

угла между нормалью к поверхности плоскопараллельной стеклянной пластины и оптической осью падающего на нее пучка .

Согласно [Н.Г.Киселев, Контроль волнового фронта лазерного пучка. Оптико-механическая промышленность, 1983, №4, стр.13-14], изложенного выше и геометрических соображений следует, что расчет угловой расходимости на выходе третьего коллиматора (в плоскости входного зрачка инспектируемого ОЭП) может быть проведен с помощью следующего выражения:

где:

d_ОЭП - диаметр входного зрачка инспектируемого ОЭП (световозвращателя);

К ₃ и К_и - коэффициенты увеличения третьего формирующего и измерительного коллиматоров;

N - показатель преломления стекла плоскопараллельной стеклянной пластины;

- длина волны зондирующего излучения;

t - расстояние между интерференционными полосами;

R - радиус кривизны волнового фронта на выходе измерительного коллиматора.

Расчет угловой расходимости на выходе третьего формирующего коллиматора (в плоскости входного зрачка инспектируемого ОЭП) может быть проведен с помощью соответствующей программы, заложенной в микропроцессор, к входу которого подключена камера ПЗС, строящая изображение интерференционной картины на прозрачном матовом экране формирующей системы.

Является очевидным, что чем больше элементов матрицы приходится на расстояние между полосами t, тем выше будет точность измерения угловой расходимости пучка. Из этого вытекает необходимость, во-первых, формирования на экране полос с максимально возможными размерами, и, во-вторых, выбора такого фокусного расстояния первой проекционной системы, при которых изображение полос на поверхности матрицы ПЗС будет достаточно большим.

Увеличения расстояние между полосами t на экране можно добиться следующими известными мерами:

уменьшением толщины плоскопараллельной стеклянной пластины;

уменьшением угла между нормалью к поверхности плоскопараллельной стеклянной пластины и оптической осью падающего на нее пучка;

сразу двумя перечисленными выше мерами.

Таким образом, выполнение формирующей системы в составе трех формирующих коллиматоров, светоделителя, измерительного коллиматора, плоскопараллельной стеклянной пластины, прозрачного матового экрана, проекционной системы и матрицы ПЗС позволит повысить точность измерения характеристик светорассеяния ОЭП в Г3×Ги раз за счет устранения систематических погрешностей, связанных с воспроизведением и контролем пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации формирующей оптической системой устройства.

В свою очередь в п.1.3 данного описания было показано, что приемный коллиматор уменьшает масштаб выходящего из него пучка по оси Y по отношению к исходному пучку с коэффициентом, равным . Этот факт означает, что для соблюдения пространственного, а главное, энергетического подобия условий регистрации отраженного от ОЭП излучения диаметр входного зрачка объектива (согласно формуле изобретения по патенту №2202814 - конденсорной линзы) канала измерения значения ЭПР на выходе приемного коллиматора должен быть в К_Y раз меньше, чем диаметр входного зрачка объектива канала измерения значения ЭПР в натурных условиях.

Кроме этого в п.1.3 показано, что приемный коллиматор уменьшает масштаб выходящего из него пучка по оси Х по отношению к исходному пучку с коэффициентом, равным . Этот означает, что для соблюдения пространственного и энергетического подобия условий регистрации отраженного от ОЭП излучения, удаление входного зрачка объектива канала измерения значения ЭПР на выходе приемного коллиматора от его окуляра должно быть в К_Х раз меньше, чем удаление входного зрачка объектива канала измерения значения ЭПР от ОЭП в натурных (заданных) условиях локации. Эти положения автоматически относятся и к значению расстояния между окуляром приемного коллиматора и плоскостью анализа индикатрисы отражения исследуемого ОЭП в лабораторных условиях.

Таким образом, только выполнение перечисленных выше условий обеспечит повышение точности измерения характеристик светорассеяния ОЭП за счет устранения систематических ошибок измерения, связанных с воспроизведением заданной дальности между инспектируемым ОЭП и приемником.

В заявляемом изобретении инспектируемое ОЭП и эталонный световозвращатель облучаются практически коллимированным пучком. Рассмотрим влияние соотношения между радиусом кривизны ЭС и дальностью локации на значение ПСВ ЭС при его облучении коллимированным пучком. Известно, что при удалении источника от объекта облучения на расстояние, стремящееся к бесконечности, на объект будет падать практически плоский (как и у коллимированного пучка) фронт излучения. Из выражения (18) следует, что при L1 оно приводится к следующему виду:

где L в рассматриваемом случае равно значению моделируемой дальности между ОЭП и приемным каналом локатора.

Из выражения (38) следует, что текущее значение ЭПР ЭС на дальности L должно рассчитываться по формуле:

где значение _эт рассчитывается с помощью выражения (10).

В этом случае микропроцессор должен проводить вычисления значения ЭПР исследуемого ОЭП (световозвращателя) _св в соответствии со следующим выражением:

где ,

где U_эт - величина сигнала, пропорционального уровню отраженного от ЭС излучения в плоскости его приема.

В п.1.5 было показано, что поскольку плоскость установки матрицы ПЗС в устройстве-прототипе оптически сопряжена с фокальной плоскостью проекционной системы, то знак кривизны волнового фронта, образующего индикатрису отражения ОЭП, однозначно определить невозможно.

Задачу по определению знака кривизны волнового фронта излучения, отраженного от ОЭП, предлагается решить с помощью соответствующего измерителя, состоящего из последовательно расположенных по ходу выходящего из приемного коллиматора пучка первого матового прозрачного экрана, первой проекционной системы и первой матрицы ПЗС. При этом первый матовый прозрачный экран установлен перпендикулярно оптической оси приемного коллиматора, а центр первого матового прозрачного экрана совмещен с оптической осью выходящего из приемного коллиматора пучка, оптические оси первой проекционной системы и первой матрицы ПЗС совмещены с оптической осью выходящего из приемного коллиматора пучка, а матовая поверхность первого матового прозрачного экрана с помощью первой проекционной системы оптически сопряжена с поверхностью первой матрицы ПЗС.

Использование первого матового прозрачного экрана позволяет устранить неоднозначность в значении знака радиуса кривизны выходящего из приемного коллиматора пучка. Так, из физических соображений следует, что при одинаковых углах расходимости пучка диаметр пятна от сходящегося пучка будет меньше диаметра от расходящегося. При этом линейные размеры пятна на первом матовом прозрачном экране будут пропорциональны угловой расходимости пучка на выходе приемного коллиматора. В случае, когда матовая поверхность первого экрана проекционной системой оптически сопряжена с поверхностью матрицы ПЗС, на поверхности матрицы формируется четкое изображение пятна на первом матовом прозрачном экране.

Из законов геометрической оптики следует, что:

линейные размеры пятна на первом матовом прозрачном экране (матрице) будут пропорциональны угловой расходимости пучка на выходе приемного коллиматора;

распределение интенсивности излучения в пятне на первом матовом прозрачном экране и на поверхности первой матрицы ПЗС будет пропорционально распределению интенсивности индикатрисы отражения в плоскости анализа, удаленной от ОЭП на заданную дальность;

угловая расходимость индикатрисы отражения в плоскости анализа будет пропорциональна угловой расходимости индикатрисы отражения на выходе ОЭП.

Последний факт позволяет производить измерение угловой расходимости индикатрисы отражения с помощью матрицы ПЗС.

С целью градуировки измерителя угловой расходимости индикатрисы отражения при фиксированных значениях коэффициента увеличения приемного коллиматора, расстояния между окуляром приемного коллиматора и первым матовым прозрачном экраном, фокуса первой проекционной системы, дальности ее от первого матового прозрачного экрана и условиях нормирования пятна определяется значение угловой расходимости индикатрисы отражения, приходящейся на один элемент ПЗС матрицы камеры. Для этого на место исследуемого ОЭП устанавливается плоское зеркало, измеряется диаметр сформированного пятна на первом матовом прозрачном экране d₁ при исходном значении расходимости облучающего зеркало пучка. Расходимость облучающего зеркало пучка увеличивается в два раза. Производится измерение диаметра нового пятна d ₂. Вычисляется значение половины приращения диаметра пятна за счет увеличения расходимости пучка d=(d₁-d₂)R. Приращение расходимости пучка известно. Цена единицы линейной величины на первом матовом прозрачном экране в единицах угловой расходимости индикатрисы отражения рассчитывается по формуле

.

Текущее значение расходимости индикатрисы отражения определяется непосредственно по текущим значениям размера изображения пятна на первом матовом прозрачном экране путем проведения соответствующей обработки результатов измерения этого размера с помощью микропроцессора, подключенного к выходу камеры ПЗС.

Таким образом, введение в состав устройства-прототипа первого матового прозрачного экрана, расположенного между приемным коллиматором и первой проекционной системой, позволяет устранить систематическую погрешность, связанную с знаком кривизны пучка излучения индикатрисы отражения ОЭП.

В п.1.6 было показано, что текущие значения ЭПР инспектируемых ОЭП могут в значительной степени отличаться от ЭПР эталонных световозвращателей, а сами уровни принимаемых от них сигналов могут колебаться в зависимости от моделируемых условий оптической локации в широких (заранее не известных) пределах. В этом случае наличие в составе электронного тракта существующих матриц ПЗС систем АРУ будет приводить к оцифровке изображения с разным (в зависимости от максимального значения облученности на поверхности матрицы) шагом дискретизации градаций яркости, а значит и к систематическим погрешностям при измерении амплитудных характеристик индикатрисы отражения ОЭП.

Является очевидным, что данный недостаток может быть устранен только в случае, когда оцифровка изображения индикатрис отражения ОЭП и эталонных отражателей проводится с одинаковым текущим шагом дискретизации градаций яркости. Для обеспечения такого условия в предлагаемом устройстве измерение амплитудных характеристик индикатрисы отражения ОЭП предлагается производить одновременно с измерением амплитудных характеристик индикатрисы отражения ЭС. Для достижения этого условия в процессе измерения индикатрисы отражения исследуемого ОЭП эталонный световозвращатель устанавливается рядом с входным зрачком этого ОЭП в пучке зондирующего излучения.

При этом эталонный световозвращатель желательно должен представлять собой плоское круглое зеркало или зеркальный сферический отражатель с большим радиусом кривизны его отражающей поверхности. Это требование обусловлено следующими причинами.

Известно, что индикатриса отражения эталонных зеркальных сферических отражателей с малым значением радиуса кривизны относительно широкая. В этом случае пятно от вышедшего из измерительного коллиматора пучка отраженного от ЭС излучения будет сравнимо с размерами экрана и будет накладываться на пятно от вышедшего из измерительного коллиматора пучка отраженного от ОЭП излучения, что приведет к погрешностям измерения значения ЭПР ОЭП.

В тоже время пятно от вышедшего из измерительного коллиматора пучка отраженного излучения от плоского зеркала или ЭС с большим радиусом кривизны не будет накладываться на пятно от вышедшего из измерительного коллиматора пучка отраженного от ОЭП излучения и будет находиться рядом с ним поскольку:

индикатриса отражения плоских эталонных зеркальных отражателей или ЭС с большим радиусом кривизны от носительно узкая и пятно от вышедшего из измерительного коллиматора пучка отраженного от плоского зеркала излучения будет относительно небольшим;

изменяя угловое положения плоского зеркала или ЭС с большим радиусом кривизны можно регулировать положение пятна от зеркала на экране относительно пятна от ОЭП.

На Фиг.11 приведены полученные с помощью макета предлагаемого устройства изображения индикатрис отражения прибора ночного видения типа 1ПН57 и ЭС с радиусом кривизны его поверхности, равным 15 м. Индикатриса отражения 1ПН57 имеет форму полого конуса с центральным лепестком внутри, а индикатриса отражения ЭС имеет форму конуса с практически равномерным распределением интенсивности по сечению. Распределение интенсивности на экране снималось при помощи камеры на основе ПЗС матрицы и в виде аналогового сигнала подавалось на АЦП (фреймгреббер). Затем изображение в цифровом формате считывалось, обрабатывалось и выводилось на экран монитора компьютера при помощи программы LBA-300PC фирмы "Spiricon".

Значение ЭПР плоского круглого зеркального световозвращателя _пко может быть определено с помощью следующего выражения [А.Г.Сайбель, Основы радиолокации. М.: Госэнергоиздат, 1961, 384 с., с.42]:

где: _з - коэффициент отражения зеркальной поверхности;

S - площадь зеркала;

- длина волны зондирующего излучения.

Так при диаметре зеркала 1 см, _з=0,9 и =1 мкм _пко примерно равно 7×10 ⁴ м². Учитывая тот факт, что ЭПР реальных образцов ОЭП примерно на порядок и более меньше указанной величины, в качестве эталона может использоваться плоская стеклянная пластинка, у которой одна сторона матовая, или плотный нейтральный светофильтр. При этом пластинка должна устанавливаться плоской стороной к падающему на него излучению. В этом случае отражение будет происходить только от одной поверхности, коэффициент отражения которой равен примерно 0,05. Расчеты показывают, что ЭПР такого световозвращателя снизится до значения примерно 4×10 ³ м². При необходимости дальнейшее снижение ЭПР может быть достигнуто путем установки перед отражателем нейтрального светофильтра с известным коэффициентом пропускания.

Таким образом, установка при проведении измерений ЭПР и индикатрисы отражения рядом с исследуемым ОЭП эталонного световозвращателя обеспечит повышение точности измерения значения ЭПР ОЭП примерно на порядок и более за счет устранения систематических ошибок измерения, вызванных оцифровкой изображения с разным (в зависимости от максимального значения облученности на поверхности матрицы) шагом дискретизации градаций яркости.

Поскольку в этом случае измерение энергетических и пространственных характеристик индикатрисы отражения может проводиться только с помощью матрицы ПЗС, необходимость включения в состав оптического тракта стенда конденсорной линзы, приемника и цифрового вольтметра отпадает.

Таким образом, у заявляемого устройства появляются свойства, заключающиеся в возможности измерения характеристик светорассеяния ОЭП с практическим полным устранением систематических погрешностей, связанных с:

зависимостью текущего значения эталонных отражателей ЭПР от дальности их локации;

воспроизведением пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации;

контролем пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих заданной дальности локации;

определением знака кривизны волнового фронта индикатрисы отражения ОЭП;

не контролируемым режимом работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС.

Заявляемое устройство обладает свойствами, не совпадающими со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств. Заявляемое устройство обеспечивает достижение положительного эффекта, заключающегося в повышении точности измерения характеристик светорассеяния ОЭП за счет устранения систематических погрешностей, связанных с воспроизведением и контролем заданной дальности локации, измерением знака кривизны отраженного от ОЭП волнового фронта, не контролируемым режимом работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС и зависимостью текущего значения ЭПР эталонных отражателей от дальности их локации.

На Фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.

На Фиг.2 приведен ход проходящих в прямом направлении лучей при локации ОЭП в сходящемся пучке.

На Фиг.3 приведен ход проходящих в прямом и обратном направлениях лучей при локации ОЭП в сходящемся пучке.

На Фиг.4 приведен ход лучей в процессе облучения ЭС и отражения от него излучения точечного источника ЗИ.

На Фиг.5 приведено изображение гиперболы, поясняющей физический смысл параметров а и b.

На Фиг.6 приведено изображение гиперболы, поясняющей физический смысл параметра Х.

На Фиг.7 приведена графическая зависимость значения угла прихода касательных к гиперболам пучков во входном зрачке ОЭП от дальности его локации.

На Фиг.8 приведены рассчитанные зависимости смещения плоскости анализа изображения относительно параксиального фокуса объектива ОЭП от дальности фокусировки для трех типов объективов.

На Фиг.9 приведен ход лучей при фокусировке пучков с разным радиусом кривизны волнового фронта.

На Фиг.10 приведены изображения индикатрис отражения прибора ночного видения типа 1ПН57 и ЭС с радиусом кривизны световозвращателя, равным 15 м, полученные с помощью макета предлагаемого устройства.

На Фиг.11 приведен внешний вид системы формирования зондирующего излучения макета предлагаемого устройства.

На Фиг.12, 13 приведен внешний вид приемного коллиматора, вторых матового экрана, проекционной системы и матрицы ПЗС.

Предлагаемое устройство содержит (см. Фиг.1): источник излучения (лазер) 1, формирующую систему 2, первый светоделитель 3.1, инспектируемый 4 и эталонный 5 световозвращатели, приемный коллиматор 6, первый прозрачный матовый экран 7.1, первую проекционную систему 8.1, первую матрицу ПЗС 9.1, микропроцессор 10 и монитор 11. При этом формирующая система выполнена из трех формирующих коллиматоров 12.1, 12.2 и 12.3, второго светоделителя 3.2, измерительного коллиматора 13, плоскопараллельной стеклянной пластины 14, второго прозрачного матового экрана 7.2, второй проекционной системы 8.2 и второй матрицы ПЗС 9.2.

Первый светоделитель 3.1 установлен между третьим формирующим коллиматором 12.3 и инспектируемым 4 и эталонным 5 световозвращателями. Эталонный световозвращатель 5 установлен рядом с входным зрачком инспектируемого световозвращателя 4 в пучке излучения. Приемный коллиматор 6 установлен в плече первого светоделителя 3.1, которое отражает падающие на него пучки отраженного от инспектируемого световозвращателя 4 и эталонного световозвращателя 5 излучения, обращен к первому светоделителю 3.1 объективом и его оптическая ось совмещена с оптической осью падающего на него пучка. Первый матовый прозрачный экран 7.1, первая проекционная система 8.1 и первая матрица ПЗС 9.1 последовательно установлены на пути распространения выходящего из приемного коллиматора 6 пучка излучения, первый матовый прозрачный экран 7.1 установлен перпендикулярно оптической оси приемного коллиматора 6. Центр первого экрана 7.1, оптические оси первой проекционной системы 8.1 и первой матрицы ПЗС 9.1 совмещены с оптической осью выходящего из приемного коллиматора 6 пучка. Матовая поверхность первого экрана 7.1 удалена от окуляра приемного коллиматора 6 на расстояние, равное значению моделируемого расстояния между локатором и инспектируемым световозвращателем, деленного на квадрат коэффициента увеличения приемного коллиматора 6, умноженный на корень из двух. Первой проекционной системой 8.1 матовая поверхность первого экрана 7.1 оптически сопряжена с поверхностью первой матрицы на ПЗС 8.1.

Формирующие коллиматоры 12.1, 12.2 и 12.3 формирующей системы 2 обращены окулярами к источнику излучения 1. Оптические оси коллиматоров 12.1, 12.2 и 12.3 совпадают с оптической осью проходящего через них пучка, расстояния между первым 12.1 и вторым 12.2, а также вторым 12.2 и третьим 12.3 формирующими коллиматорами равны сумме параксиальных фокусов объектива предыдущего формирующего коллиматора и окуляра последующего. Второй светоделитель 3.2 установлен в оптическом промежутке между вторым 12.2 и третьим 12.3 по ходу распространения лазерного пучка формирующими коллиматорами под углом к оптической оси проходящего через него пучка, измерительный коллиматор 13 находится в плече второго светоделителя 3.2, которое отражает падающий на него пучок, обращен к второму светоделителю 3.2 объективом и его оптическая ось совмещена с оптической осью падающего на него пучка. Плоскопараллельная пластина 14 установлена на пути распространения выходящего из измерительного коллиматора 13 пучка под углом к оптической оси проходящего через нее пучка. Второй матовый прозрачный экран 7.2, вторая проекционная система 8.2 и вторая матрица ПЗС 9.2 последовательно установлены на пути распространения отраженного от плоскопараллельной пластины 14 пучка. Второй матовый прозрачный экран 7.2 установлен перпендикулярно оптической оси падающего на него пучка, центр второго матового прозрачного экрана 7.2 совмещен с оптической осью падающего на него пучка. Оптические оси второй проекционной системы 8.2 и второй матрицы ПЗС 9.2 перпендикулярны плоскости второго матового прозрачного экрана 7.2 и совмещены с его центром. Матовая поверхность второго матового прозрачного экрана 7.2 второй проекционной системой 8.2 оптически сопряжена с поверхностью второй матрицы ПЗС 9.2.

Выходы первой 9.2 и второй матрицы 9.2 подключены к входу микропроцессора 10, выполненного с возможностью вычисления значения ЭПР инспектируемого световозвращателя по выражению:

_св=g_эт(L)U ₀,

где: ,

,

,

,

где L - значение моделируемого расстояния между локатором и инспектируемым световозвращателем;

R ₃ - радиус кривизны отражающей поверхности ЭС;

₃ - коэффициент отражения отражающей поверхности ЭС;

U₀ - величина сигнала, пропорционального уровню отраженного от инспектируемого световозвращателя излучения в плоскости его приема.

Выход микропроцессора 10 соединен со входом монитора 11.

Устройство измерения характеристик светорассеяния ОЭП работает следующим образом.

Излучение лазера 1 направляется на вход первого формирующего коллиматора 12.1 формирующей системы 2. Формирующий коллиматор 12.1 увеличивает диаметр входного пучка в К1 раз и уменьшает его расходимость также примерно в К1 раз. Излучение с выхода первого формирующего коллиматора 12.1 попадает на вход второго формирующего коллиматора 12.2 формирующей системы 2. Второй формирующий коллиматор 12.2 увеличивает диаметр входного пучка в К2 раз и уменьшает его расходимость также примерно в К2 раз. Излучение с выхода второго формирующего коллиматора 12.2 попадает на вход третьего формирующего коллиматора 12.3 формирующей системы 2. Третий формирующий коллиматор 12.3 увеличивает диаметр входного пучка в К3 раз и уменьшает его расходимость также примерно в К3 раз. Таким образом на выходе третьего формирующего коллиматора 12.3 формируется пучок, диаметр которого в К1×К2×К3 раз превышает диаметр исходного лазерного пучка, а его расходимость примерно в К1×К2×К3 раз меньше расходимости исходного лазерного пучка. Юстировка первого формирующего коллиматора 12.1 на минимум угловой расходимости пучка на его выходе, а также совмещение параксиальных фокусов окуляров каждого последующего формирующего коллиматора с объективом каждого предыдущего обеспечивает юстировку формирующей системы 2 на минимум расходимости пучка на ее выходе, а значит, обеспечивает условия воспроизведения максимального значения дальности локации.

Изменяя положение объектива формирующего коллиматора 12.2 относительно его окуляра можно изменять значение параметра К2, что приведет к изменению расходимости пучка на выходе формирующей системы 2 в целом. Изменение расходимости пучка на выходе формирующей системы 2 позволяет воспроизводить условия облучения входного зрачка исследуемого ОЭП, соответствующие заданной дальности локации.

Часть переотраженного вторым светоделителем 3.2 излучения попадает на объектив измерительного коллиматора 13. Прошедшее через этот коллиматор излучение уменьшается в диаметре в Ки раз, а его расходимость увеличивается в Ки раз. Вышедшее из окуляра измерительного коллиматора 13 излучение падает на плоскопараллельную стеклянную пластину 14. Отраженное от передней и задней поверхностей плоскопараллельной стеклянной пластины 14 излучение падает на второй матовый экран 7.2 и формирует на нем интерференционную картину в виде полос. Ширина полос и расстояние между ними на втором матовом прозрачном экране 7.2 при фиксированных значениях угла между нормалью к плоскости пластины и осью падающего на нее пучка, толщины плоскорараллельной стеклянной пластины и коэффициента ее преломления зависят от радиуса кривизны волнового фронта падающего на нее пучка (его угловой расходимости). Вторая проекционная система 8.2 строит изображение полос на втором матовом прозрачном экране 7.2 на поверхности второй матрицы ПЗС 9.2. В свою очередь, поскольку угловая расходимость пучка на выходе измерительного коллиматора 13 в Ки×К3 раз больше, чем на выходе третьего формирующего коллиматора 12.3 (формирующей системы 2), то это позволяет в Ки×К3 раз повысить точность измерения угловой расходимости пучка на выходе третьего формирующего коллиматора 12.3 (формирующей системы 2).

Сформированный формирующей системой 2 (формирующим коллиматором 12.3) пучок излучения направляется в сторону первого светоделителя 3.1, инспектируемого 4 и эталонного световозвращателей 5.

Инспектируеммый 4 и эталонный световозвращатели 5 переотражают падающее на них излучение в обратном направлении (на поверхность первого светоделителя 3.1). Падающее на первый светоделитель 3.1 переотраженное инспектируемым 4 и эталонным световозвращателями 5 излучение переотражается первым светоделителем 3.1 в направлении объектива приемного коллиматора 6. Диаметр прошедшего через приемный коллиматор 6 пучка излучения уменьшается в К_Y раз, а его расходимость увеличивается в К_Y раз.

Вышедшее из окуляра приемного коллиматора 6 излучение падает на первый прозрачный матовый экран 7.1, первая проекционная система 8.1 строит изображение этого пятна на поверхности первой ПЗС матрицы ПЗС 9.1. Линейные размеры пятна на первом прозрачном матовом экране 7.1 и на поверхности первой матрицы ПЗС 8.1, а также распределение интенсивности по сечению пятна будут пропорциональны диаметру прошедшего через приемный коллиматор 6 пучка излучения, его расходимости и распределению интенсивности по сечению пучка на выходе приемного коллиматора 6 (индикатрисы отражения ОЭП). При этом, поскольку матовая поверхность первого экрана 7.1 удалена от окуляра приемного коллиматора 6 на расстояние, равное моделируемому значению расстояния между локатором и инспектируемым световозвращателем, деленного на квадрат коэффициента увеличения приемного коллиматора 6, умноженный на корень из двух, линейные размеры пятна на первом прозрачном матовом экране 7.1 и на поверхности первой матрицы ПЗС 9.1, а также распределение интенсивности по сечению пятна будут пропорциональны расходимости и распределению интенсивности по сечению отраженного от инспектируемого ОЭП и ЭС пучка на реальной дальности.

Сигналы с выхода матриц ПЗС 9.1 и 9.2 поступают на вход микропроцессора 10, выход которого соединен с монитором 11, при этом микропроцессор 10 проводит вычисление значения ЭПР _св или показателя R _св световозвращения инспектируемого световозвращателя (ОЭП) в соответствии с выражением (44).

Предлагаемое техническое решение технически выполнимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптические и радиотехнические узлы и устройства, а именно:

коллиматоры на основе длиннофокусных объективов и короткофокусных окуляров;

плоскопараллельные стеклянные пластины;

матовые прозрачные экраны (плоскопараллельные стеклянные пластины, у которых одна сторона матирована);

телевизионные матрицы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС);

платы видеозахвата для сопряжения телевизионных матриц с микропрацессором.

Силами заявителя бал разработан и изготовлен макет предлагаемого устройства, который успешно прошел экспериментальную проверку, подтвердившую техническую реализуемость предлагаемого технического решения.

Внешний вид элементов оптического тракта макета приведен на фиг.12 и фиг.13.

Данное устройство позволяет повысить точность измерения характеристик светорассеяния ОЭП за счет снижения систематических погрешностей, связанных с зависимостью текущего значения эталонных отражателей ЭПР от дальности их локации до 5 раз, связанных с воспроизведением пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП, соответствующих неизвестной дальности локации формирующей оптической системой устройства, а также невозможностью контроля пространственных характеристик зондирующего излучения в плоскости входного зрачка лоцируемого ОЭП более чем на порядок, связанных с измерением индикатрисы отражения только в дальней зоне локации, соответствующей бесконечному удалению плоскости анализа от лоцируемого ОЭП, невозможностью определения знака кривизны волнового фронта индикатрисы отражения ОЭП, а также не контролируемым режимом работы систем АРУ в электронном тракте матрицы ПЗС более чем на порядок.