автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование оптико-электронных датчиков параметров и характеристик точечных излучателей

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На оравах рукописи Перешивайлов Леонид Александрович

УДК 531.743

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТЮННЫХ ДАТЧИКОВ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ТОЧЕЧНЫХ

ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05. 11.07 Оптические и оптико-электронные приборы

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Панков Э. Д.

Санкт-Петербург 1998

Введение

Оглавление

3

Глава 1. Задачи, решаемые оптико - электронными датчиками

параметров и характеристик точечных излучателей 8 1.1 Обоснование необходимости измерения параметров и харак

теристик точечных излучателей 8

1.1.1 Навигация по бортовым измерениям 8

1.1.2 Анализ звездного поля и гидирование телескопов 18 1. 2 Обоснование структуры оптико - электронного датчика параметров и характеристик точечных излучателей 33

1. 3 Постановка задачи исследований 40

Глава 2. Определение параметров и характеристик точечных излучателей оптико-электронными датчиками на основе ПЗС матриц 45

2. 1 Определение звездной величины 45 2. 2 Измерение координат изображений точечных излучателей 53 2. 3 Итерационный метод оценки параметров изображений точечны излучателей 60

2. 4 Калибровка оптико-электронного тракта датчика по звездам 75

Выводы 78

Глава 3. Экспериментальное исследование оптико-электронного

датчика параметров и характеристик точечных излучателей 80

3. 1 Модель оптико-электронного датчика 80

3.1.1 Модель формирования изображения на ПЗС матрице 81

3.1.2 Модель обработки изображения точечного излучателя 90 3. 2 Исследование методов повышения точности оптико-

электронного датчика 94

Выводы 115

Заключение 117

Литература 120

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время использование космических средств является важной задачей, имеющей большое народнохозяйственное и оборонное значение. Одной из важнейших характеристик космических систем служит их надежность, которая напрямую связана с автономностью функционирования космического аппарата (КА). Последняя может быть достигнута обеспечением автономной навигации (самоопределения) на борту КА, методы которой к настоящему времени достаточно хорошо разработаны. Однако, средства, реализующие эти методы требуют дальнейшего совершенствования.

При решении задачи автономной навигации КА в состав измеряемых параметров и характеристик обязательно входят измерения углового положения излучающих космических объектов, например, звезд, являющихся точечными излучателями, относительно некоторых базовых направлений. Кроме задачи автономной навигации КА существует ряд прикладных задач, например, таких как наведение и последующее гидирование телескопов для осуществления которых также требуется производить измерения угловых координат и энергетических характеристик звезд.

Актуальность темы

Решение вышеперечисленных задач предполагает использование в составе бортовых информационно-измерительных систем оптико-электронных датчиков параметров и характеристик точечных излучателей (звезд), щ>ичем требования, предъявляемые к точности измерения с помощью этих средств достаточно высоки. Наиболее подходящими для решения указанных задач и, в частности, высокоточных угловых измерений служат оптшсо-электронные датчики, реализованные на основе использования в них многоэлементных (матричных) фотоприемников, наиболее перспективными из которых в настоящее

время являются приборы с переносом заряда (ФППЗ) типа приборов с зарядовой связью (ПЗС) и инжекцией заряда (ПЗИ), работающие как в видимом, ультрафиолетовом (УФ), так и инфракрасном (ИК) диапазонах. При этом необходимо обеспечить требуемую точность энергетических и угловых измерений в заданном угловом поле. Решение может быть достигнуто конструктивными и алгоритмическими средствами. Второй путь позволяет решить поставленную проблему с наименьшими затратами при помощи создания соответствующего математического обеспечения для встроенного процессора. Этот подход предполагает разработку эффективной методики исследования характеристик (точностных и обнаружительных) оптико-электронных датчиков (ОЭД), не связанной с крупными материальными и временными затратами на разработку дорогостоящих лабораторных макетов и опытных образцов приборов и проведение масштабных экспериментальных исследований, хотя сама по себе не исключает упомянутых исследований. Такая методика требуется на этапе разработки (ОЭД). В настоящее время она может базироваться на современных методах исследований с привлечением имитационного моделирования и использования ПЭВМ типа IBM PC, отвечающих всем необходимым требованиям проведения модельного эксперимента.

Цепь работы.

Диссертационная работа посвящена решению задачи повышения точности угловых и энергетических измерений оптико-электронными датчиками с ПЗС путем разработки рациональных алгоритмов обработки изображений точечных излучателей и экспериментального исследования алгоритмов. При этом частными целями работы являются:

1. Разработка и исследование оценки координат изображений точечных излучателей:

- субоптимальных методов;

- итерационного метода оценки координат и энергии изображения точечных излучателей.

2. Разработка методик моделирования оптико-электронных датчиков на ПЗС и оценки погрешностей измерений такими датчиками.

3. Обоснование требований к параметрам оптико-электронных датчиков параметров и характеристик точечных излучателей.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из трех глав, введения, заключения, выводов по главам, списка библиографии из 108 наименований, содержит 129 страниц основного текста, 27 рисунков, 9 таблиц.

Первая глава посвящена обзору применения оптико-электронных датчиков (ОЭД) на ПЗС, предназначенных для применения на борту КА с целью измерения навигационных параметров и решения задачи наведения по полю звезд , а также развернутой формулировке задачи исследований.

Во второй главе рассматриваются методы определения координат изображений точечных излучателей при помощи ОЭД, а также исследуется возможность оценки изменяющейся звездной величины по изображениям звезд.

В третьей главе приведено описание модели ОЭД, изложена экспериментальная методика исследования точностных характеристик ОЭД с ПЗС методом моделирования на ПЭВМ, приведены основные результаты экспериментальных исследований.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие научные положения :

1. Вариант автономной навигации КА по рефрактирующей звезде, базирующийся на измерениях изменения звездной величины звезды при ее заходе за горизонт (восходе из-за горизонта).

2. Субоптимальные методы оценки координат точечного излучателя, в том числе итерационный метод.

3. Методика и результаты исследования характеристик ОЭД с ПЗС матрицей, предназначенных для систем автономной навигации КА и наведения космических телескопов.

Научная новизна результатов проведенных исследований состоит в том, что предложены простые субоптимальные методы оценки координат изображений точечных излучателей, проведен их анализ, а также разработана методика исследования характеристик ОЭД с матричными фотоприемниками.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке алгоритмов и программ, которые позволяют на этапе проектирования определить основные характеристики и параметры ОЭД для измерения параметров и характеристик точечных излучателей, что дает возможность определить пути совершенствования ОЭД с матричными фотоприемниками.

Теоретической основой работы являются исследования в области космической навигации, теории оптико-электронных приборов, теории оптических систем, статистической радиотехники и теории оценок параметров.

В диссертационной работе при решении поставленных задач использовались методы дифференциального и интегрального исчисления, линейной алгебры, численные методы, методы имитационного моделирования, математической статистики.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в ИТМО ( ТУ ) в научно- производственной лаборатории " Оптико-электронные системы", Военно-инженерной космической академии им. А.Ф. Можайского, Институте проблем машиноведения РАН, Конструкторском бюро специального машиностроения (КБСМ), а также в учебном процессе ИТМО (ТУ).

Апробация работы.

Материалы диссертации обсуждались на научно-технических семинарах кафедры " Оптико-электронные приборы и системы" ИТМО (ТУ) , международной конференции "Физмет-98" (Санкт-Петербург, 1998), международной конференции "Датчик-98" (Гурзуф, 1998), V международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 1998), международной конференции "Прикладная оптика-98" (Санкт-Петербург, 1998), конференции профессорского-преподавательского состава ИТМО (ТУ).

Глава 1. Задачи, решаемые оптико - электронными датчиками параметров и характеристик точечных излучателей

1.1 Обоснование необходимости измерения параметров и характеристик точечных излучателей 1.1.1 Навигация по бортовым измерениям Основным содержанием навигации КА является управление его движением. В навигацию входит решение таких задач, как определение координат КА и составляющих его скорости, управление движением относительно Земли и ориентация осей КА в пространстве. Задача навигации решается на наземных пунктах путем обработки тра-екторных измерений. Необходимость обработки большого потока информации приводит к снижению надежности функционирования космических систем.

Одним из путей устранения указанного недостатка является перенос на борт КА решения некоторых задач управления, в том числе навигации и ориентации. Далее под навигацией КА будем понимать процесс измерения первичных навигационных параметров и выработку оценки вектора уточняемых параметров (координат и составляющих скорости КА). Основными этапами при автономной навигации КА являются выбор первичных навигационных параметров, средств, обеспечивающих измерение этих параметров и также вопрос обработки измерений.

К настоящему времени разработаны методы автономной навигации КА с использованием различного состава измерений. Специфика функционирования некоторых типов КА требует высокоточных методов автономной навигации. К ним относится в первую очередь метод, основанный на измерениях звездной рефракции при заходе (восходе) звезды за (из-за) горизонт Земли, который может быть ис-

пользован в различных модификациях: измерение угла рефракции, измерение дисперсии при рефракции звезды, измерение изменения звездной величины при рефракции. По этим параметрам можно с высокой точностью вычислить высоту КА над поверхностью Земли, так как измеряемые оптические характеристики атмосферы зависят от ее плотности, которая, в свою очередь, однозначно определяется высотой.

Суть метода навигации по рефрактирующей звезде состоит в следующем [29]. Геометрическая схема рефракции приведена на рис 1.1, где показан характер прохождения лучей при рефракции. На рис. 1.1:

и^- вектор, совпадающий с гировертикалью КА, г- радиус-вектор космического аппарата Б, г3 - радиус Земли, Ьто- высота прохождения луча от звезды над поверхностью Земли, Ьт - высота, над которой начинается рефракция, Чг- видимое направление на рефракти-рующую звезду, Ц,- истинное направление на рефрактирующую звезду, а - угол рефракции.

Из-за изменяющейся с высотой плотности атмосферы угол рефракции а возрастает обратно пропорционально высоте световых лучей. Высота может быть вычислена на основе измерения угла, и таким образом может быть определено положение КА. Поверхностью положения данного метода навигации, является конус, касающийся Земли, угол при вершине которого равен углу рефракции. Положение может быть полностью определено лишь на основании ряда измерений. Таким образом ОЭД параметров и характеристик должен производить наблюдения в динамике. Метод наилучшим образом приспособлен для низкоорбитных КА с круговой орбитой, но может быть использован и для КА, находящихся на средних орбитах с высотой 20000 км,

а также для других КА. Для того, чтобы определить местоположение КА необходимы как минимум два ОЭД и бортовая инерциальная система координат. Далее будет приведен состав аппаратуры, отвечающей этому требованию, а также перечислены потенциальные пользователи этой системы и сравнены основные характеристики этих навигационных принципов с другими решениями.

Рефр актирующий луч

Космический аппарат

Кажуще с ся напр ав пение на зве«Йу

Излучение от

Рис. 1.1

На практике используют два варианта измерения угла рефракции между векторами Х1Гии,.игизмеряется непосредственно звездным

датчиком ОЭД, определение вектора осуществляется двумя способами. Первый способ состоит в сравнении координат звезды, регистрируемой датчиком, с координатами той же самой нерефракти-рующей звезды, полученными на основании информации от инерци-

альной системы координат на один и тот же момент времени. Далее проводится серия измерений положения звезды в те моменты, когда она не рефрактирует. Данные этих измерений (точнее говоря рассогласование между измерениями углов для одной и той же звезды в моменты рефракции и без нее) обрабатываются фильтром Калмана. В этом случае информация от гироплатформы используется для точного определения положения нерефрактирующей звезды во время рефракции.

Основные погрешности данного варианта определения обусловлены погрешностями измерения координат нерефрактирующей звезды и погрешностью из-за дрейфа гироскопа гироплатформы. Первая составляющая представляет собой погрешность измерения координат звезда Ста (СКО) и зависит от числа произведенных измерений:

а

= -7=. л/п

где а - погрешность единичного измерения, зависящая от внешних и внутренних помех ОЭД, а также метода определения координат изображения точечного излучателя (звезды).

Вторая составляющая погрешности вызвана эффектом дрейфа гироскопа во время определения положения звезды и она составляет менее одной угловой секунды.

Второй способ измерения угла рефракции состоит в сравнении положения рефрактирующей звезды с двумя известными нерефракти-рующими. Знание относительных углов между тремя звездами (межзвездных расстояний) позволяет восстановить вектор 118и вычислить угол рефракции. Погрешность определения координат звезды 83,"восстановленной" на своем месте перед рефракцией (8Ж- ко-

ординаты звезды в результате рефракции) не зависит от конфигурации и может иметь любое направление в угловом поле звездного датчика. Она определяется стандартной погрешностью (СКО) одного

измерения, и составляет аД/2 (поскольку используются две звезды).

Рис. 1.2

Второая составляющая погрешности зависит от относительного угла между звездами и показывает, что наилучшей конфигурацией будет такая, при которой расстояние между двумя нерефрактирующими звездами велико, а расстояние от рефрактирующей звезды до середины между двумя остальными мало.

Первый способ выгодно использовать тогда, когда установка гиро-платформы на КА необходима в первую очередь для его ориентации, например, для случая низкоорбитных спутников. Второй способ ис-

пользуется для измерения угла рефракции, когда гироплатформа на КА не устанавливается.

С помощью бортового навигационного алгоритма вычисляется прогнозируемое значение угла рефракции. Зная примерное положение КА и координаты звезды, можно определить высоту лучей и угол рефракции. В алгоритме должна быть учтена эллипсоидальность Земли. Модель земной атмосферы, используемая в этой схеме учитывает поправку на широту. Зависимость угла рефракции от влияющих на него факторов выглядит следующим образом [3, 29]

к(гэ + Ч>

сЬх +с1

ч 1/2

а(Ьт ) = С(Х)п0 ехр(-ЬТо / (аЬХв + Ь)) х

= еЬТо + Г,

где

С(Х) - константа, зависящая от длины волны излучения звезды; ЬТо я» 11т(см. рис. 1. 1);

п0- показатель преломления воздушного слоя атмосферы; г3 - радиус Земли;

а, Ь, с, <1, е, £ - коэффициенты, зависящие от широты места и других причин.

Навигационный фильтр использует значение угла рефракции не непосредственно, а через высоту луча, так как выражения с этой переменной гораздо проще. Таким образом, рефракционный алгоритм используется два раза - первый раз для предвычисления высоты лучей, а второй - для обработки высот лучей на основании измерений угла рефракции. Во втором случае осуществляется лишь локальное преобразование в соответствии с атмосферной моделью. Для обра-

ботки набора значений раз