Исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70

Получены формулы для вычисления ошибок кодирования, которые могут быть значительно уменьшены при использовании ОКУ с парафазным сигналом на выходе, подаваемым после прохождения через блок фотоприемников на блок компараторов. При этом ОКУ должен состоять из двух частей, в одной из которых элементы расположены согласно прямого кода, а в другой - согласно обратного.

Рассмотрен расчет суммарной погрешности модуляторов при воздействии нескольких коррелированных возмущений, позволивший получить формулы и правила расчета погрешностей аналоговых блоков ИКИК.

В четвертой главе изложена методика проектирования интерференционно-кодовых измерительных каналов, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

Приведены формулы для расчета параметров блоков ИКИК, указаны их основные типы и рекомендации по применению, а так же показаны примеры расчета параметров.

Модулятор является ключевым элементом при расчете ИКИК, так как от его типа и параметров зависят типы и параметры всех остальных элементов оптического тракта. Проведенный анализ показал, что по основным параметрам (время измерения, диапазон, разрешение) модулятора нельзя однозначно выбрать тот или иной его тип. Поэтому в большинстве случаев необходимо привлекать дополнительные критерии, характеризующие технологические особенности изготовления, такие, как трудоемкость, приспособленность уже имеющегося производства, наличие и доступность материалов и комплектующих, стоимость изготовления и ряд других, специфических для предполагаемого изготовителя условий. Задача расчета параметров модуляторов сводится фактически к определению их геометрических параметров с учетом исходных данных и ряда физических ограничений.

После выбора модулятора и расчета его параметров можно перейти к выбору типов фотоприемников и излучателя, который сводится к выбору пары, обеспечивающей достаточный сигнал по интенсивности на входе фотоприемника и требуемое быстродействие преобразования оптического сигнала в электрический. У выбранного типа источника света мощность должна быть выше минимально допустимой, а длина волны излучения (или спектр) должна соответствовать рабочей длине волны (спектру) фотоприёмника. Если рассчитанная минимально допустимая мощность оказывается выше, чем мощность любого, пригодного к использованию в ИКИК источника света, то приходится изменить первоначально выбранную оптическую схему.

После выбора модулятора может оказаться, что квант перемещения комбинационной полосы или луча света на выходе модулятора меньше допустимого размера элемента оптического кодирующего устройства (ОКУ). Это может быть либо из-за ограниченных технологических возможностей изготовителя, либо из-за нежелательности дифракции света за элементом ОКУ. Чаще всего такая ситуация возникает при использовании дефлекторного модулятора.

В этом случае перед ОКУ устанавливают либо усиливающую оптическую систему из линз, либо оптический усилитель перемещения (ОУП) одного из двух типов: муаровый (МОУП) или нониусный (НОУП). В последнем случае, если в проектируемом ИКИК используется дефлекторный модулятор, то за ним устанавливают формирователь светового растра, который луч света за модулятором расщепляет на ряд лучей, либо с помощью оптического делителя, либо с помощью сканирующего звена с прерывателем. Причем второй тип формирователя целесообразно использовать в ИКИК, когда первый не подходит из-за слишком больших потерь света в нем, что наблюдается при числе разрядов уже больше пяти (n>5), либо при преобразовании таких динамических параметров, как скорость перемещения или вращения, частота, момент и др.

При выборе типа ОУП можно исходить из следующих соображений. МОУП имеет меньший коэффициент усиления, чем НОУП. Однако у него нет зоны нечувствительности. Поэтому МОУП целесообразно использовать всегда, когда он обеспечивает необходимый коэффициент усиления.

При выборе типа оптического кодирующего устройства (ОКУ) следует учитывать, что среди неуправляемых ОКУ наиболее часто используются кодовые маски и волоконно-оптические кодирующие устройства (ВОКУ). При этом самыми дешевыми ОКУ являются фото кодовые маски. Однако они имеют малый срок службы. Среди управляемых ОКУ наиболее часто используются пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) на жидких кристаллах (ЖК). Акустооптические ПВМС значительно сложнее и дороже. Для управления оптически управляемыми ПВМС необходимо использовать когерентные источники света, что делает их дороже электрически управляемых. Однако, если в ИКП один и тот же лазер можно использовать и в качестве источника света, несущего информацию, и в качестве управляющего устройства ПВМС, то оптическое управление ПВМС становится эффективнее электрического. Среди оптически управляемых ПВМС для ОКУ наиболее пригодны ПВМС на структурах ФП - ШК и МДП - ЖК.

После вычисления размеров ОКУ может оказаться, что полученные значения меньше допустимых, которые должны быть как минимум на порядок больше достижимой точности линейных размеров ОКУ. Если это действительно так, то надо либо увеличить размеры комбинационной полосы на входе ОКУ, либо подобрать другой тип ОКУ. Чаще всего оказывается недостаточной длина комбинационной полосы. Ее увеличение можно осуществить, как было показано ранее, с помощью оптической системы из двух цилиндрических линз

Блок фотоприемников (БФП ) целесообразно выполнять в виде линейки лавинных фотодиодов, обладающих наиболее высоким быстродействием. Обычно для повышения точности работы в схеме ИКИК используются прямой и инверсный оптические коды. Поэтому после ОКУ устанавливают два одинаковых БФП, выходы которых подключают к компараторам формирователя нормированных сигналов.

Перед тем, как определить габариты БФП целесообразно уточнить соответствуют ли параметры выбранного ранее типа фотоприемника минимальному уровню сигнала на его входе. Для этого уточняется значение требуемой мощности источника света с учетом полученного максимального уменьшения светового потока в оптическом тракте проектируемого ИКИК. Если полученное значение мощности излучения превышает возмож-ности источника света, то необходимо либо подобрать более мощный источник, либо подобрать более чувствительный тип фотоприемников.

Выбор структуры и составных элементов электронной части ИКИК базируется на выборе подхода к организации взаимодействия измерительного канала с другими системными элементами ВУК и, прежде всего, с ЭВМ, а также на выборе принципа построения материальных связей между ними.

В последнее время при построении ВУК используется магистрально-модульный принцип формирования измерительной части ВУК, основанный на использовании какого-либо стандартного измерительного интерфейса, в сочетании с использованием специальных модулей (контроллеров) для взаимодействия с ЭВМ. При этом по мере укрупнения измерительных модулей и расширения их функциональных возможностей за счет использования сверхбольших интегральных микросхем и микропроцессоров, число нормируемых параметров сопряжения сокращается, увеличивается унификация и соответственно сокращается номенклатура измерительных интерфейсов, рекомендуемых к употреблению.

В настоящее время наиболее применяемыми являются измерительные интерфейсы типа VME и VXI, ориентированные на микропроцессоры фирмы Motorola, а также типа Multibus и их последующие варианты развития, ориентированные на микропроцессоры фирмы Intel. При этом интерфейс VXI вобрал в себя лучшие черты стандартов HP-IB (IEEE-488) и VME и сейчас является одним из самых популярных стандартов.

Очевидно, что структура электронной части ИКИК должна ориентироваться на магистрально-модульное построение ВУК с использованием стандартного измерительного интерфейса, предпочтительно одного из перечисленных трех типов, в зависимости от типов микропроцессоров, используемых в ЭВМ, самих ИКИК и контроллеров. Конструктивные, входные и выходные электрические параметры электронного блока ИКИК определяются выбранным интерфейсом. При этом независимо от типа интерфейса структура электронной части ИКИК должна содержать блок нормализации кодов (БНК), блок формирования функций (БФФ), блок управления (БУ), блок памяти (БП) и дешифратор команд (ДК). БУ целесообразно строить на базе микропроцессоров типа Intel или Мotorola, в зависимости от выбранного ранее типа измерительного интерфейса. При этом блоки ДК и БП целесообразно выбирать из того же микропроцессорного набора. Инструментальные погрешности указанных блоков определяются разрядностью шин данных и, как правило, могут не учитываться ввиду их малости.

В приложении 1 изложены принципы моделирования типового оптико-электронного измерительного канала, описаны компьютерные и физические модели типового канала оптико-электронной системы контроля смещений элементов ЗС РТ-70 и приведены результаты моделировния, подтверждающие основные теоретические выводы.

В приложении 2 приедены акты внедрения результатов диссертационной работы, подтверждающие их практическую полезность.

Основные результаты работы:

Проведен метрологический анализ вариантов методов и структур ОЭИС для измерения линейных и угловых перемещения подвижных осей ОЗ, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа, в результате которого установлено, что в качестве методов измерения целесообразно использовать так называемые «геометрические методы» как наиболее устойчивые к воздействию внешних факторов, а именно: для измерения угловых величин - автоколлимационный метод, для измерения линейных величин - метод угловой (триангуляционный метод) и линейной засечки.

2. Установлено, что для информационного обеспечения принятия решения о допустимых режимах работы радиотелескопа, осуществляемого оператором или экспертной системой, заменяющей оператора, а также для моделирования поведения металлоконструкций радиотелескопа в режиме реального времени необходим мониторинг состояния окружающей среды.

3. Анализ взаимного влияния, с точки зрения помехозащищенности, системы мониторинга окружающей среды и работающего радиотелескопа показал, что имеются высокие требования по ослаблению взаимовлияния их электромагнитных полей, что обуславливает целесообразность построения интерференционно-кодовых измерительных каналов (ИКИК) системы мониторинга на базе когерентных излучателей, интерференционно-кодовых преобразователей и волоконно-оптических линий связи, позволяющих резко увеличить помехозащищенность за счет частотного разделения спектров оптических и миллиметровых электромагнитных полей.

4. Разработан комплекс измерительных процедур для обеспечения универсальности использования ИКИК в ОЭИС радиотелескопа РТ-70, способных обеспечить в зависимости от типов ИКИК:

погрешность преобразования вводимой физической величины в пределах от 0,2 % (число разрядов 8) до 1 % (число разрядов 6);

порог чувствительности по перемещению от 0,1 мкм при использовании интерференционных модуляторов и по напряжению от 10 мкV при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов;

диапазон преобразуемых входных воздействий по перемещению от единицы и десятков мкм при использовании интерференционных модуляторов до десятков и сотен мм при использовании растровых модуляторов, а по напряжению от десятков мкV при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов до сотен кV при использовании электрооптических дефлекторных модуляторов.

5. Разработаны формулы для расчетов узлов ОЭИС и ИКИК, а также оценок их метрологических характеристик и методика проектирования интерференционно-кодовых измерительных каналов, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

6. Произведена классификация структур ИКИК и его составных частей по входному воздействию, диапазону измерения, метрологическим характеристикам, технологическим особенностям будущего изготовителя и ожидаемой стоимости и трудоемкости, что облегчило создание методик их синтеза.

7. Анализ основной качественной характеристики ИКИК, а именно, погрешностей элементов, выявлено, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители и волоконно-оптические линии связи, инженерные формулы для вычисления которых в работе получены.

8. Компьютерное и физическое моделирование выбранных по точности и помехозащищенности оптико-электронных измерительных систем и каналов подтвердили результаты теоретических исследований.

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Городецкий А. Е., Тарасова И. Л., Артеменко Ю. Н. Интерференционно-кодовые преобразованияю.- Спб.: Наука, 2005.- 472 с.

2. Городецкий А. Е., Козлов В. В. , Артеменко Ю. Н., Тарасова И. Л. Вычислени в системах управления: Учеб. пособие. СПб.: СПбГПУ, 2006.- 463 с.

3. Artemenko U. N., Gorodetsky A. E., Dubarenko V. V., Kuchmin A. U. The Problems in Visualisation of Cosmic Millimeter Radiowave Sources./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2005. Kyiv, Ukraine

4. Artemenko U. N., Gorodetsky A. E., Dubarenko V. V., Kuchmin A. U., Gimmelman V. G. Resolution Increase of Millimetric Range Radiotelescope RT-70./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2005. Kyiv, Ukraine

5. Артеменко Ю. Н., Парщиков А. А. Радиотелескоп на плато Суффа. Ход работ по корректировке проекта. / Всероссийская астрокосмическая конференция ВАК-2004 «Горизонты Вселенной», МГУ, М., 2004.

6. Парщиков А. А., Артеменко Ю. Н. Конструктивные особенности адаптивного миллиметрового радиотелескопа РТ-70. / Всероссийская астрокосмическая конференция ВАК-2004 «Горизонты Вселенной», МГУ, М., 2004.

7. Мельников Ю.Е., Анисименко В. М., Артеменко Ю. Н. Донской Ю. К. Проект завершения строительства Международной радиоастрономической обсерватории на плато Суффа в Республике Узбекистан. Журнал «Бюллетень строительной техники» № 1, 2006.

8. Артеменко Ю. Н., Егоров Ю. Г., Парщиков А. А., Смирнов С. В. Инерциальная система ориентации зеркальной системы радиотелескопа. /1-я Российская мультиконференция по проблемам управления, 10-12 октября 2006 г. Санкт-Петербург.

Размещено на Allbest.ru