CC BY
25
УДК 623.465.38
АДАПТИВНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Владимир Николаевич Легкий
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, зав. кафедрой автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Степан Александрович Буднов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, аспирант кафедры оптических информационных технологий, тел. (383)346-23-12, e-mail: [email protected]
Олег Валерьевич Санков
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, ст. преподаватель кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Ирина Валентиновна Борисова
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Валерий Григорьевич Эдвабник
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор экономических наук, профессор кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]; АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, доктор экономических наук, заместитель генерального директора по развитию, тел. (383)216-05-52, e-mail: [email protected]
Рассматриваются адаптивные бортовые оптоэлектронные трехканальные измерители расстояния для ориентации летательных аппаратов при работе в реальной замутненной атмосфере, в сложной обстановке (гористая местность, лесные массивы, городская высотная застройка) и при горизонтальной посадке. Автоматическая перестройка параметров лазерных датчиков и феррозондовых сенсоров обеспечивает достоверное измерение расстояния до препятствий в нижней полусфере и в боковой области пространства.
Ключевые слова: бортовые оптоэлектронные измерители, лазерный датчик, автоматическая перестройка параметров, феррозондовый сенсор, достоверное измерение расстояния.
ADAPTIVE OPTOELECTRONIC DEVICES FOR AIRCRAFT
Vladimir N. Legkiy
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, D. Sc., Head of Department of Autonomous Information and Control Systems, phone: (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Stepan A. Budnov
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Ph. D. Student, Department of Optical Information Technologies, phone: (383)346-23-12, e-mail: [email protected]
Oleg V. Sankov
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Senior lecturer, Department of Autonomous Information and Control Systems, phone: (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Irina V. Borisova
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Ph. D., Senior Lecturer, Department of Autonomous Information and Control Systems, phone: (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Valeriy G. Edvabnik
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Dr. Sc., Professor, Department of Autonomous Information and Control Systems, phone: (383)346-26-23, e-mail: [email protected]; Research Institute of Electronic Devices Co J-st, 53, Pysareva St., Novosibirsk, 630005, Russia, D. Sc., Deputy Director General for Development, phone: (383)216-05-52, e-mail: [email protected]
The three-channel range adaptive optoelectronic vehicle-borne finders for the unmanned aerial vehicles (UAV) orientation at functioning in hazy atmosphere and complex terrains (mountainous terrains, forest tracts, urban high buildings), and during landing are considering. Laser sensors performance automatic variation allows the reliable object distance measurement in a bottom semisphere and side areas.
Key words: three-channel range optoelectronic vehicle-borne finders, automatic parameters retuning, laser sensor, flux-gate magnetometer, distance reliable determination.
Разработанная информационная система обзора для летательных аппаратов (носители бортовой аппаратуры) [1-8] включает в себя три лазерных импульсных дальномерных датчиков (рис. 1, размер 25х50х50 мм), феррозондовый сенсор магнитных (металлосодержащих) объектов [9, 10] и блок процессорной обработки и передачи данных. Предложена конструкция отсека (рис. 2), с комплексирован-ными датчиками и процессорной платформой управления при опасном сближении с препятствием. Габаритно-весовые требования к аппаратуре носителя определяют конструкцию лазерных импульсных дальномерных датчиков.
Достоверность измерения расстояния до заданных объектов или до преград, угрожающих носителю столкновением, определяется, во-первых - помехоустойчивостью лазерных дальномерных датчиков, когда дым, осадки, облачность не смогут сформировать помеховый сигнал, подобный отраженному от поверхности импульсу. Помехоустойчивость лазерных дальномерных датчиков требует высокой пространственной разрешающей способности. На наносе-кундный дальномерный датчик от аэрозольных помех поступает рассеянный «назад» сигнал с амплитудой импульса в 5-10 раз ниже, чем при зондирующих импульсах длительностью 50-100 нс в современных датчиках [2, 4].
Рис. 1. Лазерный дальномерный датчик с длительностью импульса 2 нс
Рис. 2. Конструкция системы с комплексированными датчиками
Второй принцип разработки - адаптация лазерных дальномерных датчиков к случайным свойствам лоцируемых объектов и реальной замутненной атмосферы (дым, осадки, облачность). В результате обеспечиваются максимальная дальность действия измерительной системы с минимальной вероятностью нарушения работоспособности.
Предлагается для плавной посадки носителя и маневрирования между препятствиями измерять текущее расстояние до поверхности в пределах 1-40 м с точностью около 0,1 м. При этом оптимальным является импульсный метод измерения малых расстояний (по задержке принятого импульса относительно излученного) на интервале расстояния Я = 1-40 м (наиболее сложный случай для бортовых локационных систем) при излучении сигналов малой длительности (ти = 1-30 нс).
Схемотехнические решения по созданию наносекундных дальномерных систем с использованием полупроводниковых лазеров описаны в работах [1-5].
Для минимизации вероятности ложных измерений по пассивным помехам и для увеличения дальности действия в замутненной среде вводится автоматическая адаптация к случайным условиям применения (дальность, отражательные свойства поверхности, скорость, прозрачность атмосферы). При смене ин-
тервалов расстояния в процессе полета в условиях помех производится согласованное управление основными параметрами лазерного излучателя, фотоприемного устройства (ФПУ), цифрового модуля стробирования и селекции полезных сигналов [3].
Информация о принятых помеховом и полезном сигналах (рис. 3) после процессорной обработки является исходной для адаптации датчиков на следующем цикле зондирования пространства - уже с другими параметрами излучателя и ФПУ.
Т1,тУ
2 1 А
О 10 20 30 40 Т'П£
Рис.3. Форма принятых помехового (1) и полезного (2) сигналов от объекта в аэрозольном облаке: интервал 0-30 нс, коэффициент рассеяния = 0,4 м-1, расстояние от датчика до отражающей поверхности (р=0,1) 4м
Адаптивно регулируются следующие параметры датчиков:
- мощность и длительность излучаемых импульсов (при необходимости -и частота повторения);
- полоса пропускания, коэффициент передачи ФПУ;
- пороговый уровень, алгоритм цифровой обработки (анализ формы и длительности принимаемых сигналов, многопозиционное стробирование, работа по последнему импульсу в пределах дистанции).
При расстоянии до поверхности единицы метров для точности измерения излучаются короткие импульсы (наносекунды), амплитуда принимаемого сигнала значительно превышает уровень шума и можно применять широкополосные ФПУ. При большем расстоянии до поверхности (десятки метров) излучаются импульсы длительностью десятки наносекунд. Сужается полоса пропускания ФПУ, снижается уровень шума, увеличивается усиление, обеспечивается дальность действия датчика при приемлемой точности.
При создании адаптивных датчиков с широким интервалом Ят{п - Ятах предлагается задать вектор-варианты для нескольких (например, шести) ступеней (уровней) адаптации по дальности действия и точности, (Табл. 1). Так же вектор-варианты параметров могут быть приняты для разработки унифицированных приемо-передающих модулей, предназначенных для измерений в относительно узких интервалах дальностей, например: Я= 3-6 м, Я= 6-12 м, Л*=12-20 м и т. д. Параметры унифицированных модулей на основе полупроводниковых
лазеров определяются требованиями защищенности от пассивных помех, вероятности пропуска цели в помехах даны в (Табл. 2) [3].
Для погрешности измерения ДЯ<0,2Я берется фронт излучаемого импульса . ЛЯ ^
Хфр = 2-. Для гауссова импульса %фр = хи, с - скорость света.
Таблица 1
Вектор-варианты для шести уровней адаптации по дальности и точности
Интервал высоты Погрешность, Импульсная мощность Длительность Полоса пропуска- на входе Сопротивление Кпреобр ФП, В/Вт
среднее значение Я) м AR/R, % излучателя, Вт импульса, нс ния ФПУ, МГц усилителя, мкВ нагрузки ФП Яэ, кОм
В1 3-6(4) 15-20 25 3 100 12 2 1200
В2 6-12 (8) 15-20 40 5 80 16 3 1800
В3 12-20(16) 10-15 60 10 60 38 10 6000
В4 20-26(25) 10-15 80 20 20 80 30 18000
В5 26-32(32) 8-10 100 40 10 114 60 36000
В6 32-40(36) 8-10 150 50 8 130 60 36000
Таблица 2
Вероятность пропуска объекта в помехах
Мощность сигнала Рвх на входе ФПУ, мкВт Амплитуда сигнала ис, на входе усилителя, мВ Напряжение шума Цще, мкВ Отношение сигнал/ шум Отношение сигнал/ порог Предельный коэффициент ОпредОСЛ, 1/м Предельный коэффициент ОпредЛТ, 1/м
В1 9,3-2,3 11,2-2,8 27,7 400-100 40,0-10,0 0,617-0,192 0,45
В2 2,1 3,75 25,6 146,5 14,65 0,168 0,3
В3 0,78 4,68 39,3 119,1 11,91 0,0774 ~0,2
В4 0,43 7,71 80,0 96,4 9,64 0,045 ~0,1
В5 0,33 11,76 114,0 103,2 10,32 0,0365 ~0,05
В6 0,39 13,93 100,0 139,3 13,93 0,0366 <0,05
Достаточная импульсная мощность излучения Ризл определяется расстоянием, с учетом параметров генератора накачки: с увеличением длительности импульса по сравнению с ти=1-3 нс повышается мощность импульса излучения. Для измерения расстояния (высоты) сотни метров инжекционные полупроводниковые лазеры следует заменить на волоконные лазеры или на твердотельные лазеры со светодиодной накачкой.
Полоса пропускания ФПУ задается для каждого значения длительности импульса из компромиссных соображений - обеспечение приемлемого уровня шума при допустимых потерях амплитуды и искажениях принимаемого сигна-
ла (затягивание фронта импульса). На выходе ФПУ длительность фронта им-
_ /71——2-) _ 0,35
пульса равна tфрВыхФПУ _ у ( Тфризл + tнарПХ ) , где tнарПХ _ '
Для расчета энергетических параметров модулей высотомера используется формула светолокации [2,4], Высотомер, содержащий излучатель и фотоприемник, расположен на расстоянии R от диффузно - отражающей поверхности с коэффициентом отражения р. При работе дальномерного датчика в замутненной среде с коэффициентом рассеяния о необходимо учитывать коэффициент ослабления сигнала по закону Бугера: Косл _ e-2aR.
Мощность импульса на входе фотоприемника Рвх равна:
р _ р k0d2р -2ctR 1 вх 1 изл 4R 2 е ,
где Ризл - импульсная мощность излучателя,
k0 - коэффициент пропускания оптических систем высотомера, р - коэффициент отражения, f(ß) - индикатриса рассеяния поверхности, ß - угол между нормалью к плоскости отражающей поверхности и оптической осью приемника,
R - расстояние до отражающей поверхности.
Значение индикатрисы рассеяния для направлений измерения, близких к нормали относительно поверхности, принимается в ближней светолокации, как равное двум: f(ß=180o)=2.
При расчете приняты значения: диаметр входного окна оптической системы ФПУ ^=0,02м, отношение порог/шум = 10.
Предельный коэффициент рассеяния апредОСЛ [1/м] по ослаблению излучения в атмосфере, приводящему к невозможности принять сигнал от поверхности (измерение не состоялось), рассчитывается при условии Рвх=Рпор, как:
_ (Рвх/Рпор ) ^ предОСЛ 2R '
Для датчиков с узкими диаграммами направленности при изменении угла наблюдения ф относительно нормали к поверхности проявляется погрешность измерения, пропорциональная значению (1 - cos_1 ф). Без введения поправки на угол ф возможна погрешность AR/R =6,4% при угле подхода к поверхности ф=±20о и AR/R =10,4% при угле ф=±25°. При ф=±30о погрешность AR/R =15,5%.
Помехоустойчивость датчиков с различными параметрами описана в таблице 2. Отношение сигнал-порог превышает единицу в 9,6-40,0 раз. Этот энергетический запас позволяет обеспечить работоспособность датчика в замутненной атмосфере при коэффициенте рассеяния апредоСЛ , который для первых трех вектор-вариантов составляет 0,0774-0,192м-1.
Уровень помехового сигнала на входе ФПУ, приводящий к ложным измерениям расстояния по помехе, рассчитывается из условия Рпом=Рпор, по экспе-
риментальным графикам, измеренным в условиях полунатурных испытаний в камере искусственных туманов (коэффициент пересчета А*пер=0,125 мкВт/мВ/Вт получен в расчете на единицу излучаемой импульсной мощности через амплитуду сигнала тестового фотоприемника) [2]. До значения коэффициента рассеяния помехи ст < стпредЛТ (свойственных вероятным по плотности облачности,
осадкам, туманам, пылевым и дымовым облакам) ложные измерения и срабатывания предотвращаются путем типовой пороговой обработки сигналов без анализа их формы.
Адаптация лазерных датчиков расстояния для носителя позволяет на интервале до 40 м автоматически обеспечивать оптимальное сочетание основных параметров бортовой оптоэлектронной аппаратуры при работе в реальной замутненной атмосфере по поверхностям со случайными отражающими свойствами. В итоге может быть получена информация о расстоянии от носителя до объектов в пределах нижней полусферы и в боковой области пространства. Применение адаптивных наносекундных дальномерных датчиков также перспективно в высокоинформативных оптико-локационных системах с распознаванием трехмерных изображений [6-8].
Применение феррозондового датчика (ФЗД) в комплексированной аппаратуре позволяет повысить ее информативность, например, при облете надводного корабля (объект) или посадке на него. Исследование работы ФЗД в реальной обстановке иллюстрируются на рисунке 4 [9, 10].
Рис. 4. Схема эксперимента по определению изменения сигнала ФЗД:
а) вид сверху, б) вид спереди: 1 - цель, 2 - палубная надстройка, 3 - направление движения носителя, 4 - носитель, Я - расстояние (в метрах) до цели
Носитель (4) подлетает по направлению (3) к надводному объекту - кораблю (1) длиной 50 м с надстройкой (2). Расстояние между носителем и кораблем меняется от 10 м до 0 м. При облете корабля носитель пролетает над надстройкой на высоте 2 м. При этом измеряется выходной сигнал феррозондового датчика в зависимости от его расстояния до объекта.
Показано, что созданный ФЗД обладает достаточной чувствительностью для обнаружения надводных магнитных объектов указанного размера и безопасного движения носителя в их окрестностях. Адаптация ФЗД к естественным и искусственным магнитным полям обеспечивается автоматической регулировкой тока подмагничивания сердечника.
Измеренная полярная диаграмма направленности предложенного Ц-образ-ного феррозонда в условиях воздействия геомагнитного поля и при наличии близкорасположенных конструктивных магнитных элементов носителя подтверждает возможность его применения на борту носителя.
Разработанная конструкция дискретного лазерного дальномерного датчика (Рис. 2) может служить основой при разработке моноблочного трехканального лазерного измерителя расстояния для различных летательных аппаратов.
Моноблок должен иметь единый корпус, отсутствие корпусных деталей дискретных устройств (в отличие от Рис. 1) позволит минимизировать габариты и вес бортовой аппаратуры. Интегрированный моноблок с оптоэлектронными и другими датчиками (магнитный, радиолокационный) на базе бортовой процессорной платформы и телеметрической системы позволит создать малогабаритную унифицированную информационную систему обзора в пределах нижней полусферы и в боковой области пространства. Аппаратура обеспечит возможность измерения расстояния от носителя до поверхности естественных или искусственных преград (природный рельеф, здания, мачты ЛЭП и сотовой связи, железнодорожные сооружения и мосты).
Применение адаптивных наносекундных дальномерных датчиков также перспективно в высокоинформативных оптико-локационных системах с распознаванием трехмерных изображений [6-8] и в системах автосопровождения подвижных объектов [11].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Легкий В. Н. Анализ энергетических параметров наносекундных оптоэлектронных систем // Автометрия. - 2002. - №6. - С. 115-120.
2. Легкий В. Н., Топорков В. Д., под ред. В.Н. Легкого. Лазерные системы ближней локации. Оптоэлектронные датчики : учеб. пособие - Новосибирск : НГТУ, 2002. - 179 с.
3. Легкий В. Н., Галун Б. В., Литвиненко С. А., Санков О. В., Шумейко В. А., Бала-сов И. Ю., Башмаков А. О. Принципы построения помехоустойчивых миниатюрных лазерных импульсных дальномеров, высотомеров и датчиков для бортовых и транспортных систем // Оптический журнал. - 2011. - Т. 78, № 5. - С. 64-69.
4. Легкий В. Н., Галун Б. В., Санков О. В. Оптоэлектронные элементы и устройства систем специального назначения. - Новосибирск : НГТУ, 2011. - 455 с.
5. Сероштанов К. В., Батурин А. Г., Буднов С. А., Андреев С. А., Легкий В. Н. Перспективы применения лавинных фотодиодов в режиме Гейгера в системах двойного назначения // Труды XVII всероссийской научно-технической конф. «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск : НГТУ, 2016. - С. 241-245.
6. Легкий В. Н., Шумейко В. А., Баласов И. Ю. и др. Моделирование алгоритма измерения профиля рельефа и распознавания объектов в бортовых сканирующих импульсных лазерных дальномерах // Международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям
и электронным приборам БВМ'2010. Секция 5. «Оптико-электронные приборы и системы: физика, электроника, применения». - Новосибирск : НГТУ, 2010. - С. 390-392.
7. Легкий В. Н., Плешакова Е. В. Патент РФ № 22545457 от 20.06.05 г. Высокоинформативный распознающий дальномер.
8. Легкий В. Н., Ющенко В. П., Шумейко В. А., Санков О. В., Эдвабник В. Г., Буд-нов С. А. Высокоинформативные оптико-локационные системы с обработкой трехмерных изображений // «Доклады АН ВШ РФ». - Новосибирск: НГТУ, 2017. - № 3 (36). - С. 64-73.
9. Санков О. В. Частотный градиентометр на основе феррозондов : сборник трудов: Международная научно-техническая конференция «Четвертые Уткинские чтения», Т. 2, Секция «Информационные технологии в ракетостроении» (21-22 мая 2009 г. - Санкт-Петербург : БГТУ, 2009. - С. 134-136.
10. Санков О. В., Легкий В. Н. Исследование феррозондовых датчиков магнитных объектов для систем ближней локации // Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана, сер. Машиностроение. - 2009. - № 2 (75). - С. 90-102.
11. Борисова И. В., Легкий В. Н., Кравец С. А. Применение ориентации градиента яр-
кости для систем автосопровождения объектов // Компьютерная оптика (Computer Optics). -
2017. - № 4. - С. 931-937.
© В. Н. Легкий, С. А. Буднов, О. В. Санков, И. В. Борисова, В. Г. Эдвабник, 2018
