Системный подход к проектированию оптико-электронных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системный подход к проектированию оптико-электронных систем



Терминология и определения

Системотехника - область прикладной науки и техники, исследующая задачи реального создания сложных систем. Система - это совокупность взаимосвязанных элементов, находящихся во взаимодействии между собой и окружающей средой и образующих единое целое, предназначенное для достижения определенной цели.

Различают закрытые и открытые системы. Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы; ее действие относительно не зависит от окружающей среды.

Открытая система характеризуется взаимодействием с внешней средой. Она зависит от энергии, информации и других факторов, поступающих извне. Открытая система адаптируется к изменениям во внешней среде, чтобы продолжить свое существование.

Структура - это способ или описание взаимодействия элементов системы посредством существующих между ними связей и их стабильности. Состояние системы описывается положением системы относительно других возможных положений.

Системный анализ включает в себя:

• анализ и описание принципов построения и работы системы в целом;

• анализ особенностей всех элементов системы, их взаимозависимости и внутреннего строения;

• установление сходства и различия изучаемой системы и других систем;

• перенос по определенным правилам свойств выбранной модели на свойства изучаемой системы.

Конечной целью системного подхода является структурная оптимизация, состоящая в целенаправленном, обычно итерационном процессе получения конкретных результатов, например показателей качества работы ОЭС, с целью оптимизации решения задачи, стоящей перед системой, при заданных условиях и ограничениях.

Основными принципами системного подхода являются:

1. единство, позволяющее рассматривать одновременно систему как единое целое и в то же время как подсистему для вышестоящего уровня исследования или проектирования;

2. целостность, т.е. одновременная совместимость элементов разной направленности;

3. структуризация, позволяющая анализировать системы в их взаимосвязи в рамках конкретной организационной структуры;

4. динамичность как способность системы к изменению состояния под воздействием направленных или случайных факторов;

5. взаимозависимость системы и среды, т.е. способность системы проявлять свои свойства в процессе взаимодействия со средой;

6. иерархичность строения, т.е. наличие множества элементов, расположенных на разных уровнях с подчиненностью элементов одних уровней (низших) другим, расположенным на более высоком уровне;

7. декомпозиция как возможность расчленения объекта на составные части, каждая из которых имеет цели, вытекающие из общей цели системы;

8. множественность, позволяющая использовать множество математических моделей для описания отдельных элементов и систем в целом;

9. системность как свойство объекта обладать всеми необходимыми его признаками.

Основными аспектами системного подхода являются:

• элементный или комплексный, состоящий в выявлении элементов, составляющих систему;

• структурный, заключающийся в выяснении внутренних связей и зависимостей между элементами и позволяющий получить представление о внутренней организации системы - ее структуре;

• функциональный, выявляющий функции, для выполнения которых предназначена система;

• целевой, определяемый необходимостью научно-обоснованного определения целей, поставленных перед системой, и их взаимной увязки;

• ресурсный, состоящий в выявлении ресурсов, требующихся для функционирования системы и решения поставленных перед ней задач;

• интеграционный, определяющий совокупность качественных свойств системы, которые обеспечивают ее целостность;

• коммуникационный, обеспечивающий необходимость выявления внешних связей рассматриваемой системы с другими, например с внешней средой;

• исторический, позволяющий проанализировать условия возникновения данной системы, ее преемственность, пройденные этапы ее развития, оценить современное состояние и перспективы развития.

Некоторые особенности методологии проектирования оптико-электронных систем

Методология -- это система достаточно общих принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности, а также учение об этой системе, т.е. это учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. В науке и технике это система подходов, методик (приемов), изложенная в определенной логической последовательности, обобщающая и развивающая эти подходы, методы и методики для решения крупных научно-технических задач [2, 24, 47].

Рассмотрим некоторые положения, формирующие общую методологию проектирования.

Проектированием в технике называется «разработка проектной, конструкторской и другой технической документации, предназначенной для создания новых видов и образцов продукции промышленности» (БСЭ, 3-е изд., Т.21, с.39). Целью проектирования является получение системы (изделия), удовлетворяющей требованиям заказчика (технического задания). В соответствии с ГОСТ 103 -98 обычно при проектировании разрабатывают техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный и технический проекты, а затем и рабочую документацию. Содержание этих этапов достаточно подробно описано в многочисленной литературе [ 20, 30, 46, 47 идр.].

В инженерной деятельности термин «проект» означает совокупность конструкторских и других документов (описаний, схем, таблиц и др.), содержащих принципиальное (в случае эскизного проекта) или окончательное (в случае технического проекта) решение, дающее представление об объекте проектирования, и исходные данные для последующей разработки рабочей документации, необходимой для изготовления опытного образца изделия. После изготовления изделие подвергается всесторонним исследованиям и испытаниям, по результатам которых оно аттестуется на соответствие требованиям технического задания на разработку.

В зависимости от состава решаемых задач различают функциональное, конструкторское, схемотехническое, программно-алгоритмическое и технологическое виды проектирования. Эти виды проектных работ называют ветвями проектирования. Они образуют вертикальные уровни проектирования.

Задачами схемотехнического проектирования являются разработка, компоновка, моделирование, отладка и испытание отдельных блоков ОЭС (например, оптических систем, источников и приемников оптического излучения, электронной системы, вычислительных устройств, блоков питания и др.). На схемотехническом уровне разработка отдельных узлов осуществляется в соответствии с техническими заданиями, сформированными на предыдущем уровне.

Для оптотехники - технической отрасли, занимающейся созданием и эксплуатацией оптических и оптико-электронных приборов и систем, важно в первую очередь рассмотреть методологию проектирования этих изделий. При проектировании современных ОЭС этот процесс нельзя сводить только к выбору и расчету отдельных конструктивных узлов и системы в целом. Необходим системный подход, начинающийся с анализа требований к системе и условий ее функционирования, т.е. сценария работы ОЭС. Можно сформулировать общие принципы и общую методологию проектирования ОЭС различного назначения, а затем, следуя ей, использовать методы расчета и выбора основных параметров и характеристик системы конкретного назначения, работающей в определенных условиях эксплуатации (по конкретному сценарию).

С точки зрения современной системотехники основными этапами разработки сложных систем, к которым относятся и ОЭС, являются [30,46]:

1. общее исследование проблемы;

2. постановка задачи;

3. выбор совокупности показателей качества (критериев эффективности работы системы);

4. анализ или синтез общей схемы системы, ее оптимизация;

5. проектирование системы;

6. оценка параметров и характеристик сконструированной системы;

7. испытания системы и ее корректировка в случае необходимости.

Первые два этапа очень тесно связаны между собой, и часто трудно определить, какой из них предшествует другому. Здесь очень важно знать современное состояние и перспективы развития оптико-электронного приборостроения а также большого числа смежных отраслей науки и техники.

Уже на первых этапах разработки ОЭС требуется знать характеристики его входных и выходных величин. К ним относятся: физическая природа этих величин (например, на входе-это яркость излучения объекта, на выходе-напряжение электрического сигнала); характер изменения входных величин в виде функций интересующих потребителя и разработчика параметров (например, длины волны излучения, пространственных координат, времени) или их спектров; динамический диапазон этих величин (возможные уровни изменения сигналов на входеи выходе системы);сценарий работы ОЭС (например, фоноцелевую обстановку, в которой происходит ее функционирование; параметры излучателей, включая помехи и фоны; параметры среды распространения оптического сигнала).

Среди важнейших показателей эффективности работы ОЭС обычно выделяются требования к ее разрешению (энергетическому, спектральному, пространственному, временному) и чувствительности. Перечни этих показателей и формулы для их расчета и моделирования приводятся во многих источниках [25, 35, 42,50].

Следует указать, что существуют определенные различия в терминологии, принятой у нас в стране и за рубежом для описания отдельных этапов разработки, даже при определении критериев эффективности работы ОЭС.

При решении задач анализа по известным структурной схеме и параметрам определяются характеристики ОЭС в целом (или ее части). При решении задач синтеза, наоборот, определяют структурную схему, конструкцию и(или) параметры, при которых ОЭС имеет заданные характеристики. Если определяют параметры системы, то решают задачу параметрического синтеза; если же определяют ее структурную схему, то решают задачу структурного синтеза. При определении оптимальных (в каком-либо смысле) значений параметров или структуры системы решают задачу параметрической, или структурной, оптимизации.

Задачи синтеза, как правило, решают методом перебора различных вариантов ОЭС и выбора такого, который обладает желаемыми характеристиками, а задачи оптимизации -- путем целенаправленного изменения структуры и параметров выбранного варианта в целях получения оптимальных характеристик ОЭС. Для решения этих задач используют различные методы оптимизации и эвристические методы (мозговой атаки, ликвидации тупиковых ситуаций, морфологических таблиц и др.), методы многовариантного анализа, структурного синтеза, методы моделирования, статистические методы и т.д. [2, 30,46].

Синтез общей схемы системы базируется на анализе заданной совокупности исходных данных, которые в начале проектирования можно разбить на несколько групп, а именно:

1. тип и основные характеристики (энергетические, спектральные и др.) излучателей, участвующих в сценарии работы ОЭС;

2. параметры пространства (поля), где может находиться обнаруживаемая или наблюдаемая цель; возможные траектории ее движения; диапазон дальностей; требования по различным видам разрешения - по чувствительности, точности и др.; характеристики среды, в которой происходит работа системы, ит.д.;

3. форма представления выходного сигнала и его основные характеристики;

4. общие условия эксплуатации, хранения и транспортировки;

5. максимально допустимые масса, габариты, энергопотребление; условия размещения и стыковки с другими системами и комплексами;

6. время подготовки к работе;

7. время непрерывной работы;

8. требования по надежности;

9. технико-экономические требования (себестоимость, трудоемкость, риск и техническая реализуемость, сроки проведения работ и реализации проекта, возможность контроля качества и проведения испытаний ит.д.).

В последнее время увеличилась роль такого показателя, как риск (уровень риска) - предполагаемая техническая реализуемость, ожидаемая при изготовлении изделия с учетом неотработанной технологии, не налаженного взаимодействия с соисполнителями проекта, полученного результата и его практической реализации.

Описаниеэтихисходныхданныхсодержитсявлитературепопроектированию, в частности в [30, 46, 47,57].

К особенностям проектирования таких сложных систем, какими являются ОЭС, относятся:

• сложность современных ОЭС, что требует системного подхода к проектированию, т. е. учета всех явлений и связей, сопровождающих проектирование, изготовление и эксплуатацию;

• множественность путей достижения целей проектирования требует применения методов многовариантного проектирования, т. е. рассмотрения не одного, а многих альтернативных (конкурирующих) вариантов создаваемой системы;

• процесс проектирования ОЭС характеризуется необходимостью многократного уточнения результатов, полученных на предшествующих стадиях проектирования, т.е. является итеративным;

• сложность задач, решаемых многими ОЭС, разнородность физических процессов, имеющих место при прохождении сигналов через отдельные узлы ОЭС, разнообразие областей применения и условий работы этих систем обуславливают серьезные трудности при их разработке, например при использовании физического (натурного) моделирования или проведении достаточно информативных и достоверных натурных испытаний и исследований. В связи с этим при проектировании современных ОЭС все большее место занимает компьютерное моделирование, эффективность которого во многом зависит от степени адекватности выбранных математических моделей параметрам и характеристикам ОЭС и условиям их работы;

• сложность описания ОЭС, решающих различные задачи, т.е. существенные различия структурных схем, конструкции, условий эксплуатации и других признаков систем конкретного назначения;

• изменение размерности математического описания сигналов в отдельных звеньях ОЭС, например переход от многомерного оптического сигнала в оптической системе ОЭС к одномерному электрическому сигналу в электронном тракте.

Основные расчеты, выполняемые при проектировании ОЭС, можно разделить на несколько групп. Обычно в первую очередь выполняются энергетические, точностные, динамические и некоторые другие расчеты [30]. Расчеты тесно связаны между собой. Именно они определяют разрешение и чувствительность системы.

В нашей стране организация проектирования ведется в соответствии с действующими государственными стандартами, входящими в Единую систему конструкторской документации (ЕСКД): ГОСТ 118…120, 114, 102, 412, 701 и др., устанавливающую единый порядок разработки, выполнения, оформления, согласования, внесения изменений, учета и хранения конструкторской документации. Основными стадиями (этапами) проектирования, проводимого в соответствии с ГОСТ103-68, являются: разработка технического задания (ТЗ), создание технического предложения, эскизное и техническое проектирование, разработка рабочего проекта и конструкторской документации. Подробно содержание этих стадий, а также основных требований, предъявляемых к ОЭП на разных этапах их создания излагается в литературе, посвященной общим вопросам проектирования или проектированию отдельных групп оптико-электронных приборов [20, 27, 30, 46 идр.].

Блочно-иерархический метод проектирования

Обычно проектирование ОЭС основывается на блочно-иерархическом подходе, поскольку большинство этих систем относится к сложным. Такой же подход полезен и при моделировании ОЭС. Он заключается в разделении представлений об объекте проектирования на несколько иерархических уровней (ИУ). В результате такого разделения происходит замена малого числа сложных проектных задач большим числом менее сложных подзадач, что следует учитывать при составлении модели системы[20,27,30,42идр.].

Блочно-иерархический метод является одной из форм системного подхода, при котором объект проектирования (ОП) рассматривается как сложная система компонентов, принадлежащих не только данному объекту, но и другим объектам, взаимодействующим друг с другом и с окружающей средой. При этом все задачи проектирования решаются комплексно с учетом многообразия условий функционирования ОП и критериев его оценок.

Сущность этого подхода заключается в декомпозиции ОП, т. е. представлении его в виде множества взаимодействующих друг с другом элементов. При этом сохраняется целостное представление, при котором все компоненты взаимоувязаны и выполняют согласованные функции.

При использовании рассматриваемого метода процесс проектирования представляется в виде движения по структуре, имеющей вид перевернутого дерева. В зависимости от направления этого движения различают нисходящей, восходящей и смешанный виды проектирования.

Нисходящее проектирование осуществляется при движении по «дереву проектирования» сверху вниз. В этом случае на каждом уровне проектирования (начиная с первого) исходя из требований предыдущего уровня разрабатывается структура и определяются параметры соответствующих элементов ОП. Затем формулируются требования к элементам, расположенным на следующих (более низких) уровнях.

Восходящее проектирование выполняется в обратном порядке--от низших уровней к высшему. При этом на каждом уровне происходит последовательная комплектация отдельных частей ОП из деталей, сборочных единиц, узлов, блоков, устройств до системы в целом. Такой способ гарантирует реализуемость объекта проектирования (части системы) на любом уровне, но не гарантирует получения необходимых выходных характеристик в целом, причем это несоответствие обнаруживается лишь на завершающем (высшем) уровне проектирования. Причиной этого является то, что при комплектации на промежуточных уровнях часто выбирают не то, что нужно, а то, что имеется в наличии. В таком случае необходимо вернуться на предыдущие (более низкие) уровни проектирования и попытаться вновь собрать ОП соответствующего уровня из других элементов. Поэтому восходящее проектирование также не исключает итераций процесса проектирования.

На практике используются обе схемы проектирования, т.е. смешанное проектирование.

Разбиение ОП на отдельные структурные части (СЧ) позволяет представить сложную модель ОЭС более простыми субмоделями отдельных её СЧ с учетом их взаимодействия. Операция разбиения целого на части (декомпозиция) оказывается очень полезной при моделировании ОЭС. Процесс декомпозиции целесообразно проводить постепенно от сложного к простому и продолжать до тех пор, пока объект-оригинал (ОЭС) и его модель не будут представлены в виде структур, представляющих собой совокупность СЧ: подсистем, узлов, элементов (рис. 1) а также их моделей (субмоделей).

Рис. 1 Пример структуры оптико-электронной системы: ОС-оптическая система, ФПУ - фотоприемное устройство, ЭТ - электронный тракт; ВБ - выходной блок

Деление системы на подсистемы, узлы, элементы является относительным и условным. Например, фотоприемное устройство можно отнести к узлу «Электронный тракт (ЭТ)», а можно выделить в отдельную подсистему.

При использовании блочно-иерархического метода проектирования отдельные подсистемы и узлы разрабатываются группами соответствующих специалистов, а общая координация осуществляется руководителем проекта.

Компьютерное моделирование и его роль при проектировании оптико-электронных систем

Часто в процессе проектирования ОЭС решается задача построения математической модели для синтеза, анализа и структурно-параметрической оптимизации системы при ее проектировании, т.е. осуществляется моделирование процесса прохождения сигналов в ОЭС для различных условий ее работы. Метод компьютерного моделирования ОЭС и условий их эксплуатации для синтеза и анализа подобных систем на первых этапах их проектирования является удобным и достаточно эффективным инструментом.

Средства компьютерного моделирования позволяют ответить на ряд вопросов, например: какие алгоритмы обработки сигналов и какая элементная база, используемые в ОЭС, являются наиболее рациональными с точки зрения различных требований, предъявляемых к системе, в частности для обеспечения заданных показателей качества ее работы.

В литературе имеется достаточно много публикаций, посвященных отдельным аспектам моделирования ОЭС конкретного назначения [9, 27, 28, 36, 38, 41 и др]. Достаточно полно обобщенная методология компьютерного моделирования ОЭС рассмотрена в работе[42].

Компьютерная модель ОЭС должна учитывать весьма разнообразные условия, в которых она работает - среду, особенности излучателей (объектов, фонов, помех), метод работы ОЭС и т.д. Поэтому правомерно говорить об обобщенной компьютерной модели оптико-электронной системы (КМ ОЭС), в которой учитываются самые различные условия функционирования системы, а также возможные изменения ее структуры и элементной базы[42].

Разработка КМ ОЭС, как правило, заключается в последовательном выполнении четырех основных этапов, в результате которых производится переход от объекта-оригинала к его математической модели в виде компьютерной модели (рис. 2). Обобщенная структурная схема компьютерной модели ОЭС представлена на рис. 3.

Рис Этапы разработки компьютерной модели при проектировании [42]

Нужно отметить, что в последние годы методы компьютерного моделирования условий работы ОЭС успешно развиваются [70]. В качестве примера можно указать на компьютерные модели (программы) Irma[68], насчитывающую несколько модификаций, и Dirsig[52]. С помощью этих и ряда других моделей успешно синтезируются изображения различных объектов и сцен, на которых они наблюдаются при различных внешних условиях, для достаточно широкого оптического участка спектра - от видимого до длинно-волнового инфракрасного.

МодельIrma5.1 имеет «пассивные» каналы для синтеза изображений целей и фонов, создаваемых их собственным излучением в ультрафиолетовом, видимом, ближнем, средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах оптического спектра, а также в миллиметровом диапазоне, и «активные» каналы для синтеза изображений, создаваемых при внешней подсветке лазерным или радио-излучением, т.е. при работе ОЭС активным методом.

Рис. 3 Обобщенная структурная схема компьютерной модели ОЭС [38,42]

Удобно строить такую модель по схеме, в соответствии с которой сцена, наблюдаемая системой, может описываться в едином для всех каналов блоке, т.е. с помощью единой и достаточно широкой системы параметров и характеристик (геометрические размеры, дальности, форма, физико-химические свойства поверхностей и др.). В отдельном файле определяются положение и ориентация объектов фоноцелевой обстановки. Дополнительные файлы могут быть использованы для описания перемещения объектов от кадра к кадру.

Объекты сцены в DIRSIGпредставляются в виде совокупности отдельных фасет (их число достигает несколько десятков тысяч). При этом посредством программы Bulldozer, входящей каждая фасета характеризуется оптическими и термодинамическими свойствами ее материала. В этой модели также учитываются переотраженное излучение от соседних объектов, геометрия и длина трассы наблюдения, рассеянное излучение атмосферы, падающее на сцену, и уходящее от нее излучение.

Модель предусматривает возможность имитации процесса перемещения линии визирования и динамического режима работы ОЭС, в частности суммирования и вычитания отдельных кадров, объединенияпикселоввгруппыисозданиясоответствующихокондляпросмотра сцены, определения центроиды изображения цели и среднего уровня сигнала от всей сцены.

Используя программу MODTRAN, с помощью описываемой в [70] модели ОЭС можно рассчитать спектральные характеристики излучения и пропускания атмосферы в УФ-диапазоне 0,2…0,4 мкм. Это важно, например, для моделирования процесса запуска ракет в УФ-диапазоне 0,24…0,28 мкм, где излучение Солнца «экранируется» атмосферой. Как известно, за границей0,28мкмУФ-излучение в нижних слоях атмосферы и на поверхности Земли быстро ослабевает из-за сильного атмосферного поглощения, т.е. УФ-фон отсутствует даже при ярком дневном свете.

Особенностями описанной в [70] модели является ее гибкость, т.е. возможность перестройки и учета ряда факторов, например методов сложения или вычитания кадров, применяемых в некоторых ОЭС для увеличения отношения сигнал-шум и вероятности обнаружения целей на сложных фонах. Модель помогает развивать новые технологии, такие как работа в нескольких спектральных диапазонах, активный режим работы ОЭС с использованием стробируемой лазерной подсветки целей, лидарное трехмерной зондирование, однофотонный прием оптических сигналов.



Краткие сведения об испытаниях оптико-электронных приборов

Поскольку на различных этапах проектирования, перечисленных выше, оптико-электронные приборы могут подвергаться разнообразным испытаниям, кратко напомним об основных из них. Под испытаниями в соответствии с ГОСТ16504-81 понимается экспериментальное определение параметров и показателей качества продукции (в нашем случае - ОЭП) в процессе функционирования или при имитации условий эксплуатации, а также при воспроизведении воздействий на продукцию по заданной программе.

В оптическом приборостроении накоплен богатый настройки и испытаний как отдельных узлов, так и оптических приборов в целом. Однако к ОЭП он не всегда применим, что объясняется главным образом тем, что большинство методов настройки и юстировки оптических приборов являются визуальными, а ОЭП часто работают в невидимом участке спектра. Особенности настройки и испытаний ряда ОЭП рассмотрены в специальной литературе, например в[10].

Особое внимание при испытаниях уделяется таким узлам ОЭП, как оптическая система и приемник излучения, составляющим основу СПОИ, от которой в первую очередь зависят важнейшие показатели качества и эффективности работы ОЭП (точность измерения или слежения, дальность действия и др.). Отдельные узлы ОЭП проверяются и настраиваются по большому числу параметров и характеристик сначала отдельно друг от друга, а затем при сборке всего прибора происходит их взаимная юстировка.

Испытания могут быть:

• производственными или эксплуатационными, т.е. проводиться на стадии либо изготовления ОЭП, либо их эксплуатации;

• исследовательскими - проводят для изучения определенных свойств ОЭП, в частности для определения зависимости между предельно допустимыми значениями конструктивных параметров ОЭП и значениями режимов их функционирования (граничные испытания);

• контрольными - проводятся для оценки качества ОЭП;

• сравнительными - для сравнения характеристик качества двух или нескольких;

• доводочными - выполняются для оценки влияния вносимых изменений в целях достижения требуемых показателей качества;

• аттестационными - проводятся для оценки уровня качества приборов при их аттестации.

Контрольные испытания достаточно разнообразны [30]. Так например, приемочные испытания, выполняемые для решения вопроса о целесообразности постановки на производство опытных образцов (партий) ОЭП, могут осуществляться ведомственными, межведомственными или государственными комиссиями. В зависимости от этого их называют соответственно ведомственными, межведомственными и государственными.

Приемосдаточные испытания являются составной частью производственного процесса и завершают изготовление прибора. Этому виду испытаний подвергаются все собранные приборы для проверки их соответствия требованиям технических условий(ТУ). Испытуемые приборы должны пройти предварительный контроль, выполняемый на всех стадиях производства. Сведения о его результатах должны содержаться в прилагаемом к каждому прибору заключении отдела технического контроля и представителя заказчика.

Процесс проведения приемносдаточных испытаний включает ряд этапов. На первом этапе проверяют и изучают сопроводительную документацию, а также проводят внешний осмотр приборов. Это позволяет оценить дефекты, выявленные и исправленные в процессе предварительной подготовки прибора к испытаниям. Далее проводят собственно испытания, в процессе которых проверяют общие и специальные характеристики прибора, установленные техническими условиямии и инструкциями с учетом его особенностей конструкции, назначения и условий эксплуатации. На заключительном этапе прибор проверяют на отсутствие механических повреждений и коррозии, которые могли возникнуть в ходе испытаний.

В процессе испытаний ведут технологический паспорт (журнал), в котором отображают весь ход испытаний, помещают сведения о возникших дефектах, об их устранении, а также протоколы, в которых записывают результаты испытаний.

На основании указанных материалов в сопроводительные документы прибора (паспорт и формуляр) вносят следующие данные: заключение о пригодности к эксплуатации, отметки о результатах заводских и приемосдаточных испытаний, гарантийные сроки эксплуатации.

В зависимости от объемов и сроков испытания делятся на следующие виды [30]:

• нормальные, обеспечивающие получение необходимой информации в такие же сроки, как и в предусмотренных условиях при обычном режиме эксплуатации;

• ускоренные, позволяющие получить необходимую информацию в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации;

• форсированные, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отказ и повреждения;

• сокращенные ускоренные без интенсификации процессов, вызывающих отказы и повреждения.

В зависимости от условий проведения испытания могут быть натурными (полигонными), стендовыми и эксплуатационными. При натурных испытаниях ОЭП функционирует в соответствии со своим алгоритмом при взаимодействии с оператором или системой управления, окружающей средой и связанными с ними системами, т.е. в условиях, близких к эксплуатационным. Проведение натурных испытаний ОЭС и их узлов не всегда может быть организовано при их разработке и изготовлении, например для ОЭС, предназначенных для космических аппаратов. Кроме того, натурные испытания дороги и требуют длительного времени для их проведения. Стендовые испытания проводятся на специально изготовленных испытательных стендах, с помощью которых имитируют внешние воздействия на ОЭС. При этом используется как физическое, так и математическое моделирование. В этом случае взаимодействующие с ОЭП системы и окружающую среду заменяют имитаторами или моделями.

В последние годы все чаще встречаются примеры эффективного использования компьютерного моделирования на последних этапах этого процесса. Например, после создания опытных образцов ОЭС и предварительных их испытаний проводится компьютерное моделирование процесса их работы в сложных условиях эксплуатациии по результатам такого моделирования делается вывод о целесообразности выполнения сложных и дорогостоящих приемосдаточных, натурных и других испытаний. Если по результатам компьютерного моделирования выявляется, что получение заданных показателей качества ОЭС невозможно, то с помощью тех же математических моделей можно произвести параметрический или схемотехнический анализ разрабатываемой конструкции и путем изменения отдельных параметров прибора или его схемы прийти к требуемому результату. Затем процесс последовательных испытаний изделия продолжается. Испытания на воздействие внешних факторов и условий эксплуатации разделяют на несколько групп: механические, климатические, термобарические, специальные.

Аппаратура и методики механических испытаний подробно описываются в специальной литературе и нормативной документации (ГОСТ, ОСТ, инструкции и др.) и здесь не рассматриваются. Отметим лишь, что наиболее часто ОЭП подвергаются таким воздействиям, как:

• синусоидальные вибрации заданной частоты для оценки прочности;

• синусоидальные вибрации с изменяющимися частотами для определения резонансных частот и проверки устойчивости параметров;

• случайные вибрации для оценки устойчивости параметров;

• одиночные и многократные удары для проверки прочности и устойчивости ОЭП и его элементов;

• линейное ускорение для проверки устойчивости параметров;

• транспортная тряска для проверки устойчивости ОЭП в упакованном виде;

• качка для проверки устойчивости параметров ОЭП при изменении направления движения с изменяющимся ускорением.

Указанные воздействия могут быть реализованы в одной, двух или трех плоскостях в зависимости от технических условий на прибор.

Проверка на механическую прочность проводится в нерабочем состоянии приборов. Проверка на механическую устойчивость выполняется при рабочем (включенном) состоянии ОЭП. При испытаниях на вибропрочность выявляют дефекты сборки июстировки, прочность конструкциии ее отдельных узлов, надежность контактов и т.д.

Испытания на воздействие ударных нагрузок проводят обычно в нерабочем состоянии ОЭП, т.е. проверяют ударную прочность системы. В некоторых случаях проверяется и ударная устойчивость системы. Используемые на практике ударные стенды различных типов отличаются друг от друга диапазоном ударных ускорений, частотой ударов, наибольшей массой испытуемых приборов и наибольшей высотой падения.

При испытаниях на ударные воздействия оговариваются частота ударов в минуту, общее число ударов за весь период испытания, длительность ударного импульса и ударное ускорение. Некоторые ОЭП подвергаются ударным испытаниям при падении.

Испытания приборов на воздействие линейных ускорений проводят на центрифугах. При испытаниях прибор крепится на траверсе или столе центрифуги на определенном расстоянии от оси вращения. С противоположной стороны устанавливается противовес или аналогичный прибор.

Испытания на транспортную тряску для ОЭП, упакованных в ящики, осуществляют в натурных условиях, т.е. в кузове грузового автомобиля, который движется по неровной дороге со скоростью 20… 40 км/ч на расстояние до 1000 км. Используются также стенды, имитирующие транспортную тряску с частотой 40… 80 Гц. Платформа стенда испытывает ускорения за счет работы кулачковых механизмов, которые воспроизводят функцию, имитирующую реальную тряску.

Многие ОЭП должны нормально функционировать в сложных климатических условиях при изменении температуры, влажности, воздействии на них атмосферных осадков, агрессивных сред (морской воды, тумана и т.д.), пыли и других факторов. Поэтому такие ОЭП подвергают климатическим испытаниям на:

• устойчивость к быстрому изменению температуры окружающей среды от минимальной до максимальной и к циклическим изменениям температуры в этом диапазоне;

• воздействие окружающей среды повышением и понижением температуры и влажности;

• воздействие атмосферных конденсированных осадков (росы или инея);

• воздействие дождя;

• водозащищенность;

• воздействие соляного (морского) тумана и других агрессивных сред;

• статическое и динамическое воздействия пыли и песка. Комплексные и климатические испытания проводят при различном сочетании указанных воздействий. Кроме того, возможны и дополнительные испытания, оговариваемые в частных технических условиях на прибор.

Можно выделить две группы климатических испытаний:

1. на устойчивость эксплуатационных параметров при предельных рабочих значениях влияющих факторов и их изменениях;

2. на устойчивость показателей качества при предельно допустимых значениях влияющих факторов и их изменениях.

Впервомслучаепараметрыприборовдолжнынаходитьсявзаданныхпределахприихэксплуатации,вовторомслучаепараметрыприборов, их внешний вид и другие показатели не должны иметь необратимых изменений после прекращения испытаний.

При испытаниях на повышение или понижение температуры приборы помещают в специальные камеры - термостаты и криостаты (холодильники). В частных технических условиях должны быть указаны режимы испытаний: температуры и скорости изменения, продолжительность испытания при различных значениях температуры, режим последующего изменения температуры до заданной рабочей температуры, значения перепадов температур различных частей приборов ит.д.

Испытания при повышенной температуре проводят в термостатах, повышение температуры в которых обеспечивают электрические, водяные или паровые обогреватели. При этом проверяют функционирование приборов, отсутствие дефектов в оптических узлах, например расклеек, деформаций в кинематических звеньях, состояние электроизоляции, смазочного материала и уплотняющей или герметизирующей замазки.

Испытания при пониженной температуре проводят в холодильных камерах - криостатах, в которых поддерживается необходимая низкая температура. При испытаниях на холодоустойчивость после выдержки при минимальной температуре непосредственно в холодильной камере проверяют функционирование прибора и его выходные характеристики, внешний вид и наличие дефектов в различных узлах прибора.

Испытания при повышенной влажности проводят в камерах теплоты и влаги - гидростатах, в которых влажность можно довести до 98% путем испарения воды, при этом обеспечивается повышение температуры до 35оС. В процессе испытаний проверяют устойчивость приборов к коррозии, качество лакокрасочных покрытий, уплотняющих элементов и электроизоляции. В некоторых случаях после повышения влажности прибор нагревают или охлаждают и проверяют появление влаги или изморози внутри него.

Иногда ОЭП испытывают на водонепроницаемость в специальных дождевальных камерах, в которых струйки воды направляют на прибор под различными углами. Температура воды при этом должна соответствовать температуре реального дождя. Попадающие на прибор струи искусственного дождя равномерно распределяются по его поверхности. Дождевание обычно продолжается не менее 30мин.

Устойчивость приборов к воздействию морского тумана или других агрессивных сред проверяют путем распыления соответствующего раствора пульверизатором с последующим контролем качества покрытий и коррозии металлов после воздействия в течение нескольких суток.

Испытания на пылеустойчивость выполняют в камерах, через которые со скоростью до 15 м/с продувают смесь частиц песка, мела и глины размером до 50 мкм в течение 1…2 ч. При этом контролируют давление, создающее воздушную струю, и количество частиц. При статическом воздействии пыли в камере создают определенную запыленность, которую контролируют путем подсчета пылевых частиц в единице объема. После испытаний проводят внешний и внутренний осмотр прибора в целях выявления пылевых частиц внутри прибора и повреждений покрытий, особенно оптических деталей.

Целью термобарических испытаний является определение изменения качественных характеристик приборов и их устойчивости под воздействием изменений давления и температуры. Испытания проводят в термобарокамерах, обеспечивающих повышенное или пониженное давление, броневаннах и бронекамерах. В броневаннах испытывают приборы, погруженные в воду, в бронекамерах - приборы, заполняемые газами. В процессе испытаний в термобарокамерах проверяют функционирование приборов, их герметичность, состояние смазки, уплотнений, качество изоляции. При испытаниях в броневаннах и бронекамерах проверяют в основном прочность уплотнений и герметизации корпусов. В некоторых случаях приборы проверяют на прочность избыточным давлением изнутри, заполняя их водой или газом, например гелием.

Для проверки герметичности приборов можно использовать также вакуумный способ испытаний. В качестве контрольного газа при этом применяют гелий, хорошо проникающий в малые отверстия, содержание которого в атмосфере весьма незначительно, что обеспечивает достоверность испытаний вследствие незначительности влияния на испытания атмосферного гелия. Кроме того, гелий инертен, негорюч и нетоксичен. Для контроля за утечкой гелия используют масс-спектрометрические течеискатели.

К специальным методам испытаний относятся: оптические, электрические, испытания на надежность, устойчивость к солнечной радиации, к воздействию микроорганизмов, ионизирующего и лазерного излучений и некоторых других. В процессе оптических испытаний проверяют качество функционирования ОЭП и их узлов, т.е. их энергетические, спектральные, пространственные, геометрические, фоновые, пространственно-частотные, динамические и некоторые другие характеристики в стабильных нормальных условиях. Их разновидностью являются параметрические оптические испытания, при которых исследуют влияние изменений отдельных параметров на качество функционирования приборов.

Оптические испытания проводят на универсальных и специальных стендах, имитирующих различные характеристики и параметры излучателей, помех и фона.

При электрических испытаниях оценивают помехозащищенность ОЭП и их узлов от воздействия естественного или искусственного электромагнитного поля, электрическую прочность изоляции и электрическое сопротивление изоляции.

Помехозащищенность ОЭП от воздействия электромагнитных полей проверяют в специальных помещениях, экранируемых от неуправляемых электромагнитных полей. Внутри помещения располагают электромагнитные устройства, воспроизводящие электромагнитные помехи заданной интенсивности. Электрическое сопротивление и прочность изоляции проверяют на специальных стендах при воспроизведении образцов токов и высоких напряжений.

Испытания на устойчивость к воздействию солнечной радиации проводят в специальных камерах, оснащенных имитаторами Солнца на основе газоразрядных ксеноновых ламп в качестве источников излучения, спектральный состав излучения которых близок к спектру солнечного излучения.

Приборы, предназначенные для работы в условиях тропического климата, подвергают испытаниям на грибкоустойчивость в камерах грибкообразования. При температуре +40оС и влажности 90… 95% приборы опрыскивают водной суспензией из спор плесневых грибков и других микроорганизмов, а затем выдерживают в камере до 30 суток. После испытаний приборы осматривают и проверяют их работоспособность.

Испытаниям на надежность подвергают многие функциональные узлы ОЭС. В процессе испытаний контролируют основные показатели надежности, например ресурс работы, наработку на отказ. Эти испытания проводят на специальных стендах, имитирующих работу функциональных узлов. оптический электронный проектирование компьютерный



Список литературы

1. Алеев Р.М., Иванов В.П. ,Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000. 252 с.

2. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: пер. с англ. М.: Радио исвязь, 1988. 128 с.

3. Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ//Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №4. С. 76-82.

4. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер С.А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 335 с.

5. Высокоточные угловые измерения/Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Меськин и др.; под ред. Ю.Г. Якушенкова. М., 1987. 480 с.

6. Вычислительная оптика: справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. 423 с.

7. Грузевич Ю.К. Оптико-электронные приборы ночного видения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. 276 с.

8. Данилов Е.П., Луцив В.Р. Нейронные сети: современное состояние и перспективы // Оптико-механическая промышленность. 1991. №4. С. 20-33.

9. Демин А.В., Которский Н.С. Имитационное моделирование информационно-измерительных и управляющих систем. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. 139 с.

10. Дубиновский А.М., Панков Э.Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 152 с.

11. Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984. 215 с.

12. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем: учебник для вузов: в 2 ч. изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. Ч.1. 350с;ч.2. 258 с.

13. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов вз емной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов.радио, 1987. 368 с.

14. Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения. С.Пб.: Политехника, 2009. 415 с.

15. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.Д. Приемники оптического излучения. Учебник для вузов. С. Пб.: Папирус, 2004. 240 с.

16. Катыс Г.П. Восприятие и анализ оптической информации автоматической системой. М.: Машиностроение, 1986. 416 с.

17. Каценбоген М.С. Характеристики обнаружения. М.: Сов. радио, 1965. 96 с.

18. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985. 128 с.

19. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов.радио, 1978. 400 с.

20. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов: учебник для вузов. СПб.: Лань, 2015. 560 с.

21. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. 168 с.

22. Ллойд Дж. Системы тепловидения: пер. с англ. Под ред. А.И. Горячева. М.: Мир, 1979. 416 с.

23. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М.: Мир, 1979. 421 с.

24. Методология проектирования оптических приборов: учеб. пособие / А.А. Шехонин, В.М. Домненко, О.А. Гаврилина. СПб.: Изд-во НИУ ИТМО, 2006. 112 с.

25. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983. 696 с.

26. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.

27. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высш. школа, 1986. 304 с.

28. Пешель М. Моделирование сигналов и систем. М.: Мир, 1981. 300 с.

29. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 387 с.

30. Проектирование оптико-электронных приборов. изд. 2-е, перераб. И доп./ Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др.; под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Логос, 2000. 488 с.

31. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: пер. с англ.: в 2 кн. М.: Мир, 1982, Кн. 1. 312 с., кн.2. 480 с.

32. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение: пер. с англ.: М.: Мир, 1977. 216 с.

33. Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. М.: Радиоисвязь, 1985. 200 с.

Размещено на Allbest.ru

...