Разработка и исследование оптических систем с зеркально-линзовым панорамным компонентом

При решении ряда научных и практических задач возникает необходимость обзора пространства в полной сфере, полусфере или в некоторой сравнительно широкой кольцевой зоне (360° по азимуту, десятки градусов по углу места). Такой обзор может производиться с различными целямиобнаружение объектов, целеуказание, сопровождение, мониторинг и другое.

Оптико-электронные системы, осуществляющие обзор пространства в пределах, близких к полусфере, будем называть обзорно-панорамными оптико-электронными системами.

Можно выделить три наиболее общих подхода к созданию таких систем. Во-первых, это системы, в которых непрерывный обзор пространства осуществляется за счет сканирования механическим приводом. Мгновенное угловое поле сканирующих панорамных оптико-электронных систем сравнительно мало и соответствует элементу разложения поля обзора (пикселю).

Другим подходом к построению обзорно-панорамных оптико-электронных систем является создание многоканальных устройств, в которых широкое угловое поле достигается состыковкой сравнительно узкопольных систем. 4.

Такие системы будем называть обзорно-панорамными оптико-электронными системами с составным угловым полем.

Третий путь — создание обзорно-панорамной оптико-электронной системы на базе панорамной оптики. Эти системы будем называть обзорно-панорам н ы ми оптико-электронными системами с панорамной оптикой. Именно эти, обзорно-панорамные оптико-электронные системы являются предметом рассмотрения в диссертации.

Идея создания оптической системы, способной обозревать весь горизонт, была реализована в виде концентрического объектива Саттона в середине 19 века и кольцевой отражающей линзы Манжена в конце 19 века. За последние сто лет появилось около двух десятков систем, в том или ином виде решающих эту задачу. Эти устройства оказались технологически сложными, дорогими, имеющими серьезные ограничения в использовании, которое возникает из-за существенной дисторсии, характерной для таких систем. С другой стороны, появление многоэлементных приемников излучения с большим количеством элементов создало необходимые предпосылки для разработки оптико-электронных систем, способных создавать видеосигнал, соответствующий широкоугольному охвату пространства. Кроме того, развитие вычислительной техники позволило 5 преобразовывать искаженные дисторсией изображения в привычный для зрительного восприятия вид.

Актуальность темы

диссертации определяется отсутствием разработок простых по конструкции обзорно-панорамных оптико-электронных систем с панорамной оптикой, позволяющих обозревать пространство предметов в широком угловом поле — в кольцевой зоне в угле 360° по азимуту и до 70°-80° по углу места.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и методов аппаратурной реализации на современной элементной базе обзорно-панорамных оптико-электронных систем с панорамной оптикой, решающих задачи формирования и анализа панорамного изображения пространства в области близкой к полусфере, включающей и отрицательные относительно горизонта углы.

Научная новизна. Предложен принцип построения панорамных оптических систем с зеркально-линзовым компонентом, действующий как объектив или как элемент объектива оптической системы. Разработана методика синтеза панорамного зеркально-линзового компонента, дан теоретический анализ его свойств в зависимости от конструктивных параметров. совпадением теоретических выводов, полученных по различным методикам расчета, с результатами проведенных экспериментов. С использованием разработанного панорамного компонента были изготовлены макеты принципиально новых приборов, создающих панорамное изображение пространства в широком угловом поле. Результаты испытания прибора подтвердили основные теоретические выводы, полученные в диссертации.

Практическая ценность работы состоит в доведении полученных исследований до конкретных конструкций, схем, рекомендаций, позволяющих непосредственно перейти к созданию опытного образца обзорно-панорамной оптико-электронной системы. Оптические и оптико-электронные системы с использованием разработанного панорамного зеркал ьно-л инзового компонента занимают свое место в иерархии панорамных систем и это место определено впервые. Показана целесообразность построения достаточно простых и эффективных панорамных систем, являющихся универсальным средством получения панорамного изображения в области близкой к полусфере и способных решать ряд важных измерительных задач.

Публикации. По результатам работы были опубликованы четыре научно-технические статьи. На метод построения 7 панорамного изображения и устройство для его реализации получено положительное решение по заявке на патент.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Показана перспективность разработки панорамных оптических и оптико-электронных систем нового типа, в которых в составе оптической системы используется панорамный зеркально-линзовый компонент, схема и конструкция которого разработаны автором. Впервые разработана и опубликована методика синтеза панорамного зеркально-линзового компонента, который может использоваться и как самостоятельный объектив и входить в состав панорамной оптической системы. Предложена конструкция панорамного зеркально-линзового компонента с кольцевым угловым полем, в которой по сравнению с известными аналогами отсутствуют асферические поверхности, угловое поле расширено как в область отрицательных, так и в область положительных относительно горизонта углов.

4. Исследованы зависимости параметров панорамного зеркально-линзового компонента от конструктивных факторов. По результатам исследований даны инженерные рекомендации по разработке конструкции компонента, сформулированные в главе 2.

5. Разработаны и изготовлены макеты панорамных оптических систем, показавшие: практическую возможность построения обзорно-панорамных оптических и оптико-электронных систем с зеркально-линзовым компонентом, схемы которых разработаны авторомдостоверность теоретических выводов, полученных в диссертации, и правильность предложенной методики расчета (синтеза) панорамного компонентавозможность развертки кольцевого изображения, даваемого панорамной оптической системой, в прямоугольную форму;

6. Определены перспективные направления развития и использования оптических и оптико-электронных систем с панорамным зеркально-линзовым компонентом.

7. Разработанные принципы построения панорамных оптических систем открывают новое направление в панорамной оптике и ставят множество научных и практических задач, выходящих за рамки диссертации и требующих отдельного рассмотрения.

Заключение

.