Ứng dụng phương pháp quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm cho các thiết bị quang điện tử quan sát trong môi trường có tầm nhìn hạn chế

Thiết bị quang điện tử quan sát trong môi trường có tầm nhìn hạn chế được sử dụng với mục đích phát hiện, nhận dạng và quan sát mục tiêu trong môi trường nước hoặc môi trường không khí khi điều kiện thời tiết kém (mưa, sương mù, bụi…).

Kỹ thuật điện tử ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHIẾU SÁNG MỤC TIÊU THEO HIỆU ỨNG QUANG ÂM CHO CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ QUAN SÁT TRONG MÔI TRƯỜNG CĨ TẦM NHÌN HẠN CHẾ Hồng Văn Phịng*, Phạm Sơn Lâm, Lý Nguyên Lê Tóm tắt: Thiết bị quang điện tử quan sát mơi trường có tầm nhìn hạn chế sử dụng với mục đích phát hiện, nhận dạng quan sát mục tiêu môi trường nước mơi trường khơng khí điều kiện thời tiết (mưa, sương mù, bụi…) Thiết bị gồm hai phận phận quét chiếu sáng phận thu tín hiệu phản xạ để dựng ảnh mục tiêu, đó, phận chiếu sáng có vai trò quan trọng việc tăng cự ly phát hiện, nhận dạng quan sát mục tiêu thiết bị Trong thiết bị nay, để nâng cao hiệu suất chiếu sáng người ta sử dụng nguồn sáng ánh sáng laser đơn sắc cấu quét gồm hai khối phản xạ theo hiệu ứng quang âm cho phép quét chùm tia laser theo hai chiều độc lập Bài báo phân tích cấu tạo ưu nhược điểm quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm cho thiết bị quang điện tử quan sát mơi trường có tầm nhìn hạn chế Từ khóa: Thiết bị quang điện tử; Phương pháp chiếu sáng mục tiêu; Laser; Hiệu ứng quang âm; Khối phản xạ quang âm ĐẶT VẤN ĐỀ Các mục tiêu quan sát thường không tự phát ánh sáng nên để quan sát chúng, đặc biệt đêm tối mơi trường có tầm nhìn hạn chế, thiết bị quang điện tử trang bị thêm phận chiếu sáng mục tiêu sử dụng chùm tia laser cấu để quét chùm tia lên bề mặt mục tiêu Ánh sáng phản xạ từ mục tiêu quan sát trực tiếp mắt thường qua bước xử lý để quan sát hình camera [1] Các thiết bị giữ vai trị quan trọng quân sự: phát cảnh giới từ xa mục tiêu nước, quan sát lái xe điều kiện mưa sương mù [2] Trong báo phân tích ưu nhược điểm phương pháp quét chiếu sáng mục tiêu ứng dụng quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm Hiệu ứng quang âm tượng ánh sáng bị tán xạ, khúc xạ, phản xạ nhiễu xạ thay đổi mơi trường truyền quang bị tác động sóng siêu âm Hiện nay, hiệu ứng quang âm ứng dụng rộng rãi ngành nghiên cứu khoa học thiết bị kỹ thuật Ví dụ: sử dụng phương pháp quang âm để kiểm tra chất lượng vật liệu suốt, phin lọc quang âm để phân tích thành phần hóa học mơi trường,… [3] Một ứng dụng quan trọng hiệu ứng quang âm khối phản xạ quang âm dùng để quét chùm tia laser để chiếu sáng mục tiêu Bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm gồm hai khối phản xạ quang âm cho phép quét chùm tia theo hai hướng độc lập Do hiệu ứng tán xạ ánh sáng tần số quét lớn quét cho phép quét mục tiêu cách liên tục với cự ly quét lớn CÁC PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHIẾU SÁNG MỤC TIÊU Để chiếu sáng mục tiêu sử dụng nguồn sáng liên tục nguồn sáng 32 H V Phòng, P S Lâm, L N Lê, “Ứng dụng phương pháp quét … có tầm nhìn hạn chế.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ dạng xung laser Đối với thiết bị sử dụng nguồn xung laser, kích thước chùm tia laser nhỏ nên để chiếu sáng hết mục tiêu cần phải thiết kế hệ quét chùm tia laser Hệ quét chiếu sáng mục tiêu sử dụng nguồn xung laser theo nguyên lý khác nhau: quang-cơ, điện từ, quang âm [4] 2.1 Phương pháp quét theo nguyên lý quang – Hệ quét theo nguyên lý quang – sử dụng rộng rãi nhiều thiết bị, có máy in laser Trong hệ quét này, để làm lệch chùm tia người ta sử dụng phần tử quét nêm quang học, lăng kính hệ gương phản xạ quay quanh trục quang học hệ (hình 1) Hình Sơ đồ hệ quét theo nguyên lý quang – Để tăng tần số quét, phần tử quét thường gồm nhiều bề mặt phản xạ tăng vận tốc quanh trục quang cách sử dụng turbin khí chi tiết quang học Turbin khí có ưu điểm cho vận tốc quay lớn lên tới 2.104 vòng/giây Tuy nhiên, phương pháp sử dụng có cấu tạo phức tạp, không thuận tiện cho sử dụng, độ ổn định vận tốc quay khơng cao, khó thay đổi tính quét trình quét Trong hệ quét sử dụng chi tiết quang học khác để tăng vận tóc quay (lăng kính Dobe, gương phẳng, gương nhiều cạnh, hệ chuẩn trực,…) Ưu điểm hệ quét có khả nhận góc lệch chùm tia lớn, không bị lượng chùm tia quét không bị phụ thuộc giá trị góc quét ánh sáng có bước sóng khác nên thường sử dụng quét thiết bị có nguồn laser với nhiều màu sắc khác Tuy nhiên, hệ quét có khuyết điểm là: vận tốc qt chùm tia khơng lớn, kích thước lớn, khơng thuận tiện, q trình qt khó thay đổi thông số phận làm lệch chùm tia biên độ góc tần số quét Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 33 Kỹ thuật điện tử 2.2 Phương pháp quét theo nguyên lý điện từ Hệ quét chiếu sáng theo nguyên lý điện từ sử dụng phần tử qt chia thành nhóm chính: dạng vịng dạng khung (hình 2) a) b) Hình Hệ quét chiếu sáng theo nguyên lý quang điện dạng vòng (a) dạng khung (b) Phần tử quét dạng vịng (hình 2a ) cấu tạo sau: Giữa cực từ, sợi kim loại mỏng vật liệu hợp kim cách từ kéo căng dạng vòng tròn để đảm bảo độ bền vững học Gương phẳng cố định vị trí sợi kim loại để thay đổi hướng chùm tia Vịng dây gương đóng vai trị phận chuyển động phần tử quét Hai giá đỡ thẳng đứng giới hạn chiều dài tự dây Lò xo dùng để kéo căng dây Hệ thống từ gồm có cuộn từ khơng đổi 4, guốc hãm ống trụ kim loại để sinh từ trường Dòng điện dẫn vào theo đầu kẹp dây Khi cho dòng điện qua cuộn dây sinh từ trường Do tương tác từ trường dòng điện, dây dẫn bị kéo theo hướng khác làm cho gương phẳng bị quay theo góc khác tỷ lệ với cường độ dịng điện Để tạo góc quay lớn cho gương phải gắn thêm phần tử chủ động vào giá đỡ Phần tử quét dạng khung (hình 2b) có cấu tạo đơn giản điện kế với khung cố định kéo Khung làm từ dây đồng nhôm mỏng Thanh kép giữ cho khung dây ln vị trí Dòng điện đưa đến đầu kẹp vào khung dây Dưới tác động dòng điện từ trường làm cho khung dây quay góc Trên khung dây có gắn gương phẳng nên gương quay Góc quay gương tỷ lệ với dòng điện chạy qua khung dây Để đạt tần số quét cao, khung dây phải cố định kéo mảnh Ưu điểm hệ quét dễ dàng điều chỉnh góc quét, cho độ phân giải cao Tuy nhiên, hệ quét có nhược điểm khối lượng gương phẳng lớn mà lại gắn dây mảnh nên độ vững khơng cao, tính ổn định góc quét không lớn 2.3 Phương pháp quét theo hiệu ứng quang điện 34 H V Phòng, P S Lâm, L N Lê, “Ứng dụng phương pháp quét … có tầm nhìn hạn chế.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Phương pháp quét theo hiệu ứng quang điện dựa tượng thay đổi số phân cực dẫn đến thay đổi chiết suất tinh thể quang điện tác dụng điện trường Sự thay đổi tạo sử dụng cuộn dây có hình dạng đặc biệt (hình tứ giác, hình hộp mặt thoi hình lập phương) xác định hướng phân cực loại tinh thể chia thành dạng sau: Sự phân cực tia sáng tinh thể vng góc, song song tạo góc 45° với vector cường độ điện trường (hình 3) Hình Các dạng quét theo hiệu ứng quang điện Ưu điểm phương pháp quét ttheo hiệu ứng quang điện cho phép quét liên tục với tần số cao độ phân giải lớn Góc lệch tia sáng độ phân giải thiết bị quét phụ thuộc vào cấu tạo độ dài đường tia sáng tinh thể quang điện Nhược điểm phương pháp quét khó chỉnh, cấu tạo phức tạp có có lượng lớn phần tử điện 2.4 Phương pháp quét theo hiệu ứng quang âm Hình Kết cấu khối phản xạ quang âm: - Bộ biến đổi áp điện, - Ống dẫn quang âm, – Bộ phận hấp thụ sóng âm, - Nguồn phát laser Theo hiệu ứng này, để làm lệch đường chùm tia laser, người ta sử dụng khối phản xạ quang âm gồm ống dẫn quang âm làm tinh thể gốm áp điện (PbMoO4, TeO2, LiIO3), biến đổi áp điện phận hấp thụ sóng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 35 Kỹ thuật điện tử âm Sóng âm tạo điện áp cực dạng khe phẳng biến đổi áp điện gây thay đổi chiết suất tinh thể biến đổi pha nhiễu xạ khe phẳng, đó, ánh sáng truyền qua tinh thể quang âm bị khúc xạ (bị lệch so với phương ban đầu) Sự thay đổi điện áp tạo góc lệch khác (dịng, mành) chùm tia laser [5] Để hiệu suất nhiễu xạ khe phẳng phản xạ quang âm cao nhất, góc chùm tia tới phải thỏa mãn điều kiện Bragg [6]: (1) 2.sin 0   đó, Λ,λ - Chiều dài bước sóng âm ánh sáng Do λ«Λ, từ cơng thức (1) suy ra: (2) o   2 Góc lệch chùm tia tới sau qua khối phản xạ quang âm xác định:  (3)   20  a Va đó, Va – Vận tốc sóng âm, ϑa – Tần số sóng âm Nếu tần số sóng âm ϑa thay đổi theo khoảng ∆ϑa, góc lệch chùm tia tới xác định tần số trung tâm dao động âm ∆ϑa0:  (4)   a 2a Nguyên lý làm việc quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm sau: Ánh sáng từ nguồn phát laser qua adapter quang học đến cấu quang âm Adapter quang học đảm bảo đồng độ mở chùm xạ laser độ mở phần tử quang âm Cơ cấu quang âm làm cho ánh sáng truyền qua bị khúc xạ (bị lệch so với phương ban đầu) với góc khác theo hai chiều ngang dọc để tạo thành dòng mành Cơ cấu quang âm kết nối với máy tính cổng USB2.0 Tần số qt góc quét điều chỉnh thông qua phần mềm máy tính Ánh sáng laser sau qua hệ quang học mở rộng chùm tia để quét chiếu sáng mục tiêu Bộ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm có cấu tạo gọn nhẹ, điều khiển máy tính cho độ xác cao, cho phép quét chùm tia laser với tần số cao giúp cho việc chiếu sáng mục tiêu tương đối liên tục Tuy nhiên, để chế tạo phản xạ quang âm cần yêu cầu cao công nghệ kỹ thuật nên giá thành tương đối cao 36 H V Phòng, P S Lâm, L N Lê, “Ứng dụng phương pháp qt … có tầm nhìn hạn chế.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHÙM TIA SÁNG THEO HIỆU ỨNG QUANG ÂM Phương pháp quét chùm tia sáng theo hiệu ứng quang âm áp dụng nhiều thiết bị quang điện tử để làm lệch đường tia sáng qua khe quang âm bố trí theo hai chiều vng góc để qt chùm tia theo hai hướng Ví dụ hệ thống ghi nhớ quang học (hình 5), phận phản xạ quang âm đóng vai trị ghi đọc thơng tin dạng ma trận hologram kích thướng 220 x 220, tần số quét từ 150 đến 250 MHz Hiệu suất làm lệch chùm tia đạt 45% Tuy nhiên, hệ thống yêu cầu chi tiết quang học phức tạp dạng cầu trụ [3] Hình Sơ đồ hệ quang hệ thống ghi nhớ quang học: – Nguồn laser, - Hệ chuẩn trực, – Thấu kính hình trụ, – Thấu kính hình cầu – X, Y – Bộ phận phản xạ quang âm theo chiều X, Y Một ứng dụng quan trọng phương pháp quét chùm tia sáng theo hiệu ứng quang âm thiết bị quan sát điều kiện môi trường tầm nhìn hạn chế Thiết bị sử dụng xạ laser bao gồm khối sau (hình 6): + Hệ quét sử dụng xạ laser (3) bao gồm: nguồn phát laser 4, adapter quang học 5, cấu quét dòng 6, quét mành 7, hệ quang thay đổi kích thước chùm tia laser Bức xạ laser khỏi hệ quét môi trường nước, phản xạ mục tiêu, địa hình thu lại hệ thu (9) + Hệ thu (9) gồm: 10 - Hệ quang thu; 11 - CCD, 12, 13 – Xử lý tín hiệu; 14Hộp điều khiển; 15- Bộ phận giao tiếp với mắt người – monitor Hình Sơ đồ kết cấu thiết bị quan sát điều kiện mơi trường có tầm nhìn hạn chế Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 37 Kỹ thuật điện tử Bề mặt vật thể nước quét hệ quét chiếu sáng mục tiêu 3, sử dụng chùm xạ laser có tiết diện hẹp Chùm xạ laser có góc mở thay đổi nhờ hệ quang 5, đó, thay đổi kích thước vết laser cho phù hợp với khoảng cách từ thiết bị tới mục tiêu cần quan sát Bộ quét với hai cấu quét dòng mành 6, cho phép quét bề mặt mục tiêu theo hai tọa độ X, Y Hệ quang đảm bảo đồng độ mở chùm xạ laser độ mở hai cấu quét 6, Chùm xạ laser hội tụ nhờ hệ quang Cơ cấu quang âm kết nối với máy tính cổng USB2.0 Tần số quét góc qt điểu chỉnh thơng qua phần mềm máy tính Bức xạ phản xạ từ bề mặt mục tiêu sau qua môi trường truyền (nước, khơng khí, sương mù, ) vào hệ quang thu 10 đến CCD Tín hiệu CCD qua phận xử lý tín hiệu 12,13 hiển thị hình 15 với hình ảnh hai chiều mục tiêu Hộp điều khiển 14 để điều chỉnh chế độ làm việc thiết bị Hiện nay, giới, nhà khoa học Nga đưa sáng chế chế tạo thiết bị quan sát nước, có sử dụng quét chiếu sáng mục tiêu theo nguyên lý quang âm [7] Thiết bị cho phép quan sát mục tiêu cự ly xa 14 m mơi trường nước biển có độ suốt Zб ≈ m (hình 7) Hình Hình ảnh mục tiêu thu sử dụng thiết bị quan sát nước Tại Việt Nam, việc ứng dụng hiệu ứng quang âm đời sống kỹ thuật tương đối hạn chế Viện Vật lý kỹ thuật/Viện KH-CN quân cho mở đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm phục vụ thiết kế, chế tạo thiết bị quan sát nước” Hệ quét chiếu sáng mục tiêu gồm phận chính: nguồn chiếu sáng laser 1, cấu quét quang âm mạch điều khiển kết nối với máy tính (hình 8) Cơ cấu quét quang âm gồm khối quang âm làm tinh thể TeO2 đặt vuông góc với cho phép quét chùm tia laser theo phương Mạch điều khiển thay đổi tần số góc qt thơng qua phần mềm máy tính Hệ chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm quét chùm tia laser bước sóng 532 nm với tần số 2÷100 MHz góc qt lớn 3º 38 H V Phòng, P S Lâm, L N Lê, “Ứng dụng phương pháp qt … có tầm nhìn hạn chế.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Hệ quét chiếu sáng mục tiêu theo nguyên lý quang âm Việc chế tạo thành công quét sở cho việc thiết kế chế tạo thiết bị quan sát nước, thiết bị quan sát điều kiện tầm quan sát hạn chế sương mù, đêm tối nhằm nâng cao khả tác chiến quân đội ta điều kiện địa hình, thời tiết KẾT LUẬN Để quét chiếu sáng mục tiêu quan sát có nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp có ưu khuyết điểm phân tích báo Tùy thuộc vào mục đích, độ xác độ phân giải thiết bị quan sát để lựa chọn phương pháp quét phù hợp Đối với thiết bị quan sát điều kiện mơi trường có tầm nhìn hạn chế thường sử dụng phương pháp quét theo hiệu ứng quang âm Hiện nay, nước ta, công bố quang âm học nói chung ứng dụng hiệu ứng quang âm nói riêng cịn hạn chế Nhóm tác giả báo nghiên cứu, thiết kế chế tạo quét chiếu sáng mục tiêu theo hiệu ứng quang âm phục vụ cho thiết kế chế tạo thiết bị quan sát nước Thiết bị giữ vai trò quan trọng việc phát hiện, quan sát cảnh giới mục tiêu nước từ xa lực lượng đặc công nước trạm quan sát, cảnh giới lự lượng hải quân cảnh sát biển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Войтов Д.В “Автономные необитаемые подводные аппараты” М.: МОРКНИГА 2015 [2] Патент РФ № 2465619 “Устройство для видения объектов в мутных оптических средах” [Текст] / В.В Бузоверя [и др.] [3] Магдич Л Н., Молчанов В Я “Акустооптические устройства и их применения” — М.: Сов радио, 2004 [4] Yu V Gulyaev, M A Kazaryan, M Mokrushnin, O.V Shatkin “AcoustoOptical Laser Systems for the Formation of Television Images” - Taylor & Francis Ltd December 14, 2018 by CRC Press [5] Патент РФ № 2337387 “Акустооптический дефлектор” [Текст] / В.В Роздобудько [и др.] [6] http://www.acoustooptic.com/acousto-optic-principles.html Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 39 Kỹ thuật điện tử [7] Патент РФ № 2397510 “Способ видения подводных объектов и устройство для его реализации” [Текст] / В.В Бузоверя [и др.] ABSTRACT AN APPLICATION OF THE METHOD SCANNING OBJECT BY ACOUSTO-OPTIC EFFECTS FOR OPTO-ELECTRONIC DEVICE VIEWING IN ENVIRONMENT WITH RESTRICTED VISION Optoelectronic devices viewing in environments with restricted vision are used for the purpose of detecting, identifying and observing object in water or environments when bad weather (rain, fog, dusty, ) This device consists of two main parts: the scanning and the reflective receiver for the rendering image of object, in which the scanning part plays a very important role in increasing distance the detection, receiving and observe object In current devices, for increasing lighting efficiency, the source is monochromatic laser and scanning part include two acousto-optic reflectors for scan laser beam in two coordinate In this paper, the advantages and disadvantages of method scanning object by acousto-optic effects for opto-electronic device viewing in environment with restricted vision are analyzed Keywords: Optoelectronic devices; Method scanning object; Lasers; Acousto-optic effects; Acousto-optic deflector Nhận ngày 11 tháng 02 năm 2020 Hoàn thiện ngày 19 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Vật lý kỹ thuật/Viện KH-CN quân * Email: vanphongkqh@gmail.com 40 H V Phòng, P S Lâm, L N Lê, “Ứng dụng phương pháp qt … có tầm nhìn hạn chế.” ... với thiết bị quan sát điều kiện mơi trường có tầm nhìn hạn chế thường sử dụng phương pháp quét theo hiệu ứng quang âm Hiện nay, nước ta, cơng bố quang âm học nói chung ứng dụng hiệu ứng quang âm. .. S Lâm, L N Lê, ? ?Ứng dụng phương pháp quét … có tầm nhìn hạn chế. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT CHÙM TIA SÁNG THEO HIỆU ỨNG QUANG ÂM Phương pháp quét chùm tia sáng theo. .. 2.3 Phương pháp quét theo hiệu ứng quang điện 34 H V Phòng, P S Lâm, L N Lê, ? ?Ứng dụng phương pháp qt … có tầm nhìn hạn chế. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Phương pháp quét theo hiệu ứng quang điện