Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Оптические приборы и системы

Диссертационная работа:

Белоконев Виктор Михайлович. Исследование и разработка оптико-электронных систем на базе многоэлементных фотоприемников для определения координат источников световых вспышек малой интенсивности : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.07 : Новосибирск, 2004 272 c. РГБ ОД, 61:05-5/2073

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 6

1. Обзор известных методов определения координат источников
световых вспышек малой интенсивности
11

  1. Актуальность задачи создания системы автоматического определения координат огневых целей 11

  2. Основные принципиальные подходы к созданию системы автоматического определения координат огневых целей 17

  3. Известные системы определения углового положения объектов

и их дальности 20

  1. Оптико-электронные пеленгаторы и координаторы 23

  2. Оптико-электронные дальномеры 32

  3. Преимущества пассивных систем пеленгации 39

2. Теоретические и экспериментальные исследования
возможности построения автоматической двухканальной
системы определения координат (АДСОК) кратковременных
световых вспышек
41

2.1. Теоретические основы построения двухканальной системы

- определения координат световых вспышек 41

2.1.1. Принципиальные предпосылки построения оптико-
электронной системы автоматического определения координат

цели по импульсному оптическому сигналу 41

  1. Анализ и расчет теоретических и инструментальных погрешностей 43

  2. Координатная привязка АДСОК, огневой цели и артиллерийской батареи 50

2.2. Исследование интенсивности, длительности, геометрических
параметров и спектра излучения регистрируемых объектов 61

  1. Исследование интенсивности, длительности и геометрических параметров выстрела в видимом диапазоне спектра 62

  2. Исследование интенсивности, длительности и геометрических параметров выстрела в инфракрасном диапазоне спектра 72

  3. Оценка спектральных параметров выстрела 80

2.3. Энергетический расчет АДСОК 82

  1. Общие методические аспекты расчета 82

  2. Энергетический расчет канала видимого диапазона 86

  3. Энергетический расчет канала инфракрасного диапазона 91

  4. Обоснование возможности повышения точности определения координат целей с использованием принципов комплексного совмещения каналов и двухспектрального анализа изображений 99

  5. Разработка вариантов облика АДСОК 106

2.4. Экспериментальные исследования принципа измерения
полярных координат 121

  1. Лабораторные эксперименты 121

  2. Полевые эксперименты 128

3. Исследование и разработка многоэлементных фотоприемных

устройств (МФПУ), предназначенных для использования в
АДСОК
141

3.1. Современный уровень разработок в области матричных ФПУ и
анализ возможности их применения в АДСОК 141

  1. Матричные ФПУ видимого диапазона 141

  2. Матричные ФПУ инфракрасного диапазона 153

  1. Направления совершенствования матричных ФПУ для АДСОК 163

  2. Исследование и обоснование конструктивных, схемотехнических и технологических требований к ПЗС-матрицам видимого и инфракрасного диапазонов 164

3.3.1. Основы приборов с зарядовой связью (ПЗС) 164

  1. Технология изготовления ПЗС-фотоприемников 167

  2. Схемы организации ПЗС-фотоприемников 171

  3. Антиблуминг и электронная регулировка времени накопления 174

  4. Схема организации переноса заряда 176

  5. Выходные устройства 177

  6. Характеристики линейчатых и матричных ПЗС-фотоприемников і 178

» 3.3.8. Матричные ПЗС-фотоприемники инфракрасного диапазона 186

3.4. Факторы, ограничивающие пороговые характеристики
матричных фотоприемников длинноволнового инфракрасного
диапазона и пути их преодоления .' 190

  1. Анализ основных факторов, ограничивающих пороговые характеристики МФПУ 190

  2. Ограниченность динамического диапазона выходного устройства ИС СПО 191

* 3.4.3. Неравномерность чувствительности массива

фоточувствительных элементов 193

  1. Ограниченность накопительных емкостей ячеек ИС СПО 194

  2. Другие ограничения 197

  3. Пути снижения негативного эффекта от ограничивающих факторов 197

3.5. Исследование и обоснование конструктивных,
схемотехнических и технологических требований к ФПУ

* инфракрасного диапазона на основе структур с квантовыми
ямами (СКЯ), полученным методом МОС-гидридной эпитаксии
(МОСГЭ) 198

3.5.1. Фотоприемники длинноволнового инфракрасного диапазона

на основе СКЯ 198

3.5.2. Технологические особенности выращивания СКЯ методом
МОСГЭ 200

  1. Фотоэлектрические характеристики СКЯ, выращенных методом МОСГЭ 201

  2. Микросхемы считывания сигналов с многоэлементных фотоприемников 210

  3. Многоэлементные фотоприемники на основе СКЯ 212

  4. Перспективы использования фотоприемников с СКЯ 214

3.6. Исследование и обоснование конструктивных,
схемотехнических и технологических требований к
современным инфракрасным фотоприемникам на основе
соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ), полученным методами
молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) 214

  1. Место КРТ-структур в общих тенденциях развития инфракрасных фотоприемников 214

  2. Развитие МЛЭ КРТ для тепловизионной техники 218

  3. Перспективы использования МЛЭ для производства ГЭС КРТ 236

3.7. Мероприятия по улучшению МФПУ 238

Заключение 243

Список литературы 245

ПРИЛОЖЕНИЯ 256

Введение к работе:

Анализ характера боевых действий противоборствующих сторон в ходе войн и военных конфликтов последнего времени, показывает, что развитие стрелкового вооружения (пистолетов, автоматов, винтовок, пулеметов, гранатометов и т.п.) и способов их применения привели к существенному повышению боевой эффективности отдельных стрелков и снайперов. Высокая боевая эффективность снайперов обусловлена скрытностью их боевой работы и точностью ведения огня. Современные боевые действия в локальных конфликтах с применением партизанской тактики иногда образно называют борьбой снайперов. Поэтому весьма актуальной является задача обнаружения местоположения снайперов противодействующей стороны. Однако создание таких средств осложняется тем, что установление координат вспышек стрелкового оружия является более трудным по сравнению с аналогичной задачей для других видов вооружения. Причины - относительно низкая сила излучения при выстреле, применение специальных устройств для бесшумно-беспламенной стрельбы, тщательная маскировка и высокая мобильность снайпера. Кроме того, не следует забывать, что аппаратура военного назначения должна работать в условиях плохой погоды, ограниченной видимости, в специфических условиях поля боя и, по возможности, скрытно. Указанные обстоятельства обусловливают повышенные требования по точности и быстродействию системы определения координат целей, обнаруживающих себя блеском выстрелов.

Практикуемая в настоящее время система засечки подобных огневых средств предусматривает использование двух достаточно далеко друг от друга (100 м и более) расположенных разведывательных теодолитов. Наблюдение ведется одновременно двумя операторами, поддерживающими между собой телефонную либо радиосвязь. Расчет дальности выполняется триангуляционным методом, то есть из соотношения сторон и углов треугольника, вершинами которого являются 2 точки наблюдения и цель. В ночных условиях синхронность засечки цели обеспечивается отсчетом по секундомеру на обоих наблюдатель-

ных пунктах. Однако такой способ определения координат цели является весьма трудоемким, длительным и требует постоянного присутствия нескольких наблюдателей. Система не является мобильной и пригодна к использованию только в позиционных условиях.

От перечисленных выше недостатков свободна система оперативного автоматического определения полярных координат огневых целей, основанная на идее двухканальной регистрации световой вспышки с помощью многоэлементных (линейчатых или матричных) фотоприемных устройств (МФПУ) с последующим вычислением ее полярных координат [1,2]. Эффективность такой системы может быть дополнительно повышена за счет комплексирования каналов, т.е. регистрации в каждом канале излучения вспышки одновременно в несколь-ких спектральных диапазонах [3].

Выполнение поставленных задач требует также правильного подбора фотоприемников (ФП), а в большинстве случаев - изготовления заказных ФП.

В соответствии с изложенным целью работы являлось исследование, расчет и разработка оптико-электронных систем (ОЭС) на базе МФПУ для оперативного определения координат источников световых вспышек малой интенсивности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

разработка общей концепции оперативного автоматического определения координат объекта с динамическими оптическими характеристиками, основанной на одновременном использовании двух пространственно разнесенных каналов регистрации изображений посредством МФПУ;

расчет энергетических параметров ОЭС определения координат источников световых вспышек малой интенсивности;

разработка методики расчета координат целей, выявление, анализ и учет теоретических и инструментальных погрешностей автоматической двухканальной системы определения координат (АДСОК);

разработка макетного образца АДСОК для проверки теоретических основ и алгоритма вычисления координат объектов по индуцируемым ими свето-

вым вспышкам;

проведение лабораторных и полевых исследований принципа определения координат источников световых вспышек малой интенсивности;

исследование конструктивных, схемотехнических и технологических параметров МФПУ, оказывающих критическое влияние на параметры и возможность создания АДСОК.

Научная ценность работы заключается в создании теоретических основ функционирования и исследовании ОЭС на базе МФПУ, предназначенных для определения координат источников световых вспышек малой интенсивности. При этом впервые:

1. Разработаны основы теории автоматического определения координат источников световых вспышек малой интенсивности методом их двухканаль-ной и двухспектральной регистрации с помощью МФПУ, в том числе:

обоснован выбор МФПУ в качестве датчиков световых вспышек малой интенсивности;

обоснован комплекс требований к характеристикам линейчатых и матричных фотоприемных устройств (ФПУ), в том числе в части спектральной чувствительности, пространственного разрешения и пригодности использования в полевых условиях;

обоснован комплекс требований к фоточувствительным материалам для МФПУ инфракрасного (ИК) и видимого диапазонов;

даны методики анализа и расчета теоретических и инструментальных погрешностей ОЭС на базе МФПУ;

обоснован выбор оптических схем объективов для ОЭС на базе МФПУ;

теоретически обосновано повышение точности определения координат целей с использованием принципов комплексного совмещения каналов и двух-спектрального анализа изображений.

2. Обоснованы комплексные требования к перспективным ФПУ разных типов на основе различных фоточувствительных материалов по сочетанию их технологических, конструктивных, схемотехнических и функциональных ха-

рактеристик, в том числе:

ПЗС-матрицам видимого диапазона;

кремниевым ФПУ ИК диапазона;

ФПУ ИК диапазона на основе структур с квантовыми ямами, полученным методом МОС-гидридной эпитаксии;

современным ИК ФП на основе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ), полученным методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Практическая значимость работы состоит в разработке принципов проектирования ОЭС оперативного автоматического определения координат источников световых вспышек малой интенсивности. В ходе исследований также:

предложена и проверена экспериментально концепция построения АДСОК источников световых вспышек малой интенсивности;

разработана комплексная методика подбора матричных ФПУ в соответствии с особенностями их конструкций и технологий изготовления для получения оптимальных функциональных характеристик АДСОК;

разработан способ выравнивания неравномерной чувствительности линейчатых ФПУ со сканированием;

разработан комплекс технических требований к электронным блокам АДСОК;

проведен комплекс исследовательских работ по схемотехническим, конструктивным и технологическим усовершенствованиям широкой номенклатуры МФПУ, имевших целью получение оптимальных функциональных характеристик АДСОК;

выявлены причины принципиальных ограничений параметров матричных ФПУ и предложены пути их преодоления;

разработан порядок использования специальной терминологии для оп-тоэлектронной техники и фотоники на основе сложившихся тенденций и современных достижений в этой области.

Диссертационные исследования проводились в соответствии с «Целевой комплексной программой развития систем тепловидения и средств ночного ви-

дения в интересах всех видов вооруженных сил на период до 2005 года» (шифр «Инфравид-2005»), включенной в государственный оборонный заказ Постановлением Правительства РФ № 440-30 от 17.04.99 г., и «Комплексной целевой программой развития оптических и оптико-электронных средств военного назначения» (шифр «Оптика-ХХІ»), включенной в государственный оборонный заказ Постановлением Правительства РФ № 75-4 от 01.02.01 г.

Результаты диссертационных исследований в виде инженерных моделей, оригинальных технических решений, методик испытаний и др. внедрены в Конструкторско-технологическом институте прикладной микроэлектроники (КТИ ПМ) СО РАН, Институте физики полупроводников (ИФП) СО РАН, Сибирской государственной геодезической академии (все Новосибирск), ФГУП «ВНЦ «Государственный оптический институт им. СИ. Вавилова»» (Санкт-Петербург), ФГУП НЛП «Пульсар», ФГУП НИИ «Полюс», ФГУП НПО «Орион», ФГУП «Альфа», ЗАО «МНИТИ» и ГУДП «НИИТЭП» (все Москва).

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XV, XVI и XVIII Международных научно-технических конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 1998, 2000 и 2004 гг.), X, XII и XIII Международных научно-технических конференциях «Лазеры в науке, технике, медицине» (Сочи 1999, 2001, и 2002 гг.), LIII Международной конференции «Современные проблемы геодезии и оптики» (Новосибирск, 2003 г.), Совещании «Актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники. Фотоника-2003» (Новосибирск, 2003 г.), IV Межведомственной научно-практической конференции «Информационные оптико-электронные технологии в военном деле» (Сосновый Бор, 2004 г.), Научно-технической конференции «Дистанционное зондирование Земли. ДЗЗ-2004» (Сочи, 2004 г.), отраслевых и ведомственных конференциях и совещаниях.

По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе получено 2 патента на изобретения, 8 статей в центральных журналах и 10 тезисов и материалов докладов международных конференций; по вопросам терминологии подготовлен и издан терминологический словарь-справочник.

Подобные работы
Краснящих Андрей Владимирович
Разработка и исследование оптико-электронной системы измерения деформации крупногабаритных инженерных сооружений
Ворона Алексей Михайлович
Исследование и разработка оптико-электронных автоколлимационных систем измерения деформаций элементов конструкции полноповоротного радиотелескопа
Животовский Илья Вадимович
Разработка и исследование лазерно-электронной системы измерения энергетических световозвращательных характеристик оптико-электронных приборов
Чертов Александр Николаевич
Исследование и разработка оптико-электронных модулей рентгенолюминесцентных сепараторов алмазосодержащего сырья
Син Сянмин
Исследование и разработка трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров
Москалевич Владимир Игоревич
Разработка оптико-электронного комплекса для исследования колебаний шероховатой поверхности
Имшенецкий Александр Ильич
Разработка и расчет оптико-электронных систем диагностики потоков жидкости и газа
Гебгарт Андрей Янович
Разработка афокальных нерасстраиваемых безаберрационных оптико-механических сканирующих систем
Урусова Мария Валерьевна
Принципы построения панорамных оптических систем оптико-электронных приборов на базе оптических панорамных блоков
Щербаков Александр Владимирович
Разработка и исследование импульсных катодолюминофорных источников оптического излучения

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net