CC BY
41
УДК 629.7.051.83
ПРИМЕНЕНИЕ МОДУЛЯЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ БЕСПИЛОТНЫХ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Д.Ю. Лившиц
Рассмотрены принципы действия существующих способов модуляции лазерного излучения. Проведено сравнение с точки зрения применения для системы автоматической посадки. Выбран оптимальный тип модуляции, позволяющий передавать требуемый для работоспособности системы объем данных и являющийся при этом наиболее простым в плане технической реализации.
Ключевые слова: авиация, автоматика, беспилотный летательный аппарат, лазер, модуляция, посадка.
Посадка тяжелых беспилотных летательных аппаратов в автоматическом режиме - важнейшая задача современных пилотажно-навигационных комплексов. Для осуществления безопасной посадки может быть использована предложенная система посадки, основанная на использовании лазерных излучателей. Подробнее с принципом действия системы можно ознакомиться в [1].
Главной особенностью системы является возможность работы в условиях отсутствия сигналов спутниковых навигационных систем и без использования высокоточных инерциальных навигационных систем. Указанная особенность достигается путем использования оптической линии связи в качестве канала передачи данных о координатах объекта относительно летной площадки. Оптическая линия связи представляет собой наземную часть с лазером, модулятором и системой наведения луча в качестве передатчика и бортовую часть с фотоприемником и демодулятором.
Известно, что модуляция может быть осуществлена изменением амплитуды, интенсивности, частоты, фазы или поляризации несущей частоты в соответствии с входным передаваемым сигналом [2]. При этом способы модуляции можно разделить на аналоговые, импульсные и цифровые, каждый из которых делится по методу реализации на амплитудный, частотный, фазовый, по интенсивности, поляризационный. Рассмотрим принципы действия указанных способов.
В общем случае для аналогового способа модуляции амплитуда, частота, фаза, интенсивность или поляризация несущей оптической частоты непрерывно изменяются пропорционально аналоговому входному сигналу. Так, аналоговая амплитудная модуляция обеспечивается пропорциональностью амплитуды оптической несущей амплитуде входного передаваемого сигнала. Аналоговая частотная модуляция представляет собой пропорциональность мгновенной частоты колебаний амплитуде входного
передаваемого сигнала. Для аналоговой фазовой модуляции фаза оптической несущей в каждый момент времени пропорциональна амплитуде входного передаваемого сигнала. Аналоговая модуляция по интенсивности осуществляется пропорциональностью интенсивности оптической несущей амплитуде входного передаваемого сигнала (рисунок а). Аналоговая поляризационная модуляция делится на линейную и круговую. Линейная поляризационная модуляция характеризуется пропорциональностью угла вектора поляризации линейно-поляризованной несущей по отношению к опорному направлению амплитуде входного передаваемого сигнала. Для круговой поляризационной модуляции применяется пропорциональность отношения интенсивностей несущей левого и правого поляризованных состояний амплитуде информационного сигнала.
Пример графического отображения принципов модуляции по интенсивности: а - аналоговая модуляция; б - импульсная модуляция; в - цифровая модуляция
Для импульсных способов модуляции характерен следующий принцип: момент появления или длительность сигнала несущей изменяется пропорционально входному передаваемому сигналу (рисунок б). Амплитудно-импульсная модуляция характеризуется пропорциональностью амплитуды импульса оптической несущей отсчету амплитуды входного информационного сигнала (принцип действия импульсной модуляции по интенсивности аналогичен, но вместо амплитуды используется интенсив-
158
ность оптической несущей). Частотно-импульсная модуляция есть пропорциональность частоты импульсов оптической несущей отсчету амплитуды входного передаваемого сигнала. Широтно-импульсная модуляция характеризуется изменением длительности импульса оптической несущей пропорционально отсчету амплитуды входного информационного. Позицион-но-импульсная модуляция представляет собой временную задержку сигнального оптического импульса относительно опорного импульса, пропорциональную отсчету амплитуды входного передаваемого сигнала. Счетно-импульсная модуляция заключается в пропорциональности амплитуды входного передаваемого сигнала числу коротких импульсов оптической несущей, укладывающихся в единичный временной интервал [3].
При использовании цифровых способов модуляции каждому измерению входного передаваемого сигнала сопоставляется двоичный код (рисунок в). При кодово-импульсной модуляции амплитуды устанавливается, что максимальная амплитуда оптической несущей соответствует двоичному знаку 1, соответственно при передаче двоичного знака 0 амплитуда оптической несущей минимальна. Этот же принцип применим для кодово-импульсной модуляции интенсивности. Кодово-импульсная частотная модуляция характеризуется дискретным сдвигом частоты оптической несущей, при этом одно из значений частоты принимается за двоичный знак 1, а второе - за двоичный знак 0. Для кодово-импульсной фазовой модуляции фаза оптической несущей меняется по отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или рад в соответствии с двоичный знаком 1 или двоичный знаком 0. Кодово-импульсная поляризационная модуляция делится на линейно-ортогональную и циркулярно-ортогональную. Для линейно-ортогональной за двоичный знак 1 принимается вертикальная поляризация оптической несущей, а за двоичный знак - 0 горизонтальная поляризация. Для циркулярно-ортогональной двоичному знаку 1 соответствует правая круговая поляризация оптической несущей и двоичному знаку 0 -левая круговая поляризация.
Следует отметить, что часть представленных способов модуляции неприменима в системе автоматической посадки. Например, аналоговая амплитудная модуляция имеет существенный недостаток в том, что зависимость между амплитудой входного передаваемого сигнала и выходного сигнала детектора имеет значительную нелинейность вследствие того, что оптическим детектором регистрируется интенсивность оптической несущей. Также существуют оптические фазовые модуляторы, но их применение ограничено частотными нестабильностями передающего устройства и демодулятором приемника. Следовательно, методы фазового аналогового модулирования также не применимы.
Для выбора оптимального способа модуляции, пригодного для применения, следует разделить разработку системы автоматической посадки на 2 этапа: этап макетных работ и этап разработки опытного образ-
ца. На этапе макетных работ, являющемся на текущий момент приоритетным и предназначенным для апробации алгоритмов работы системы, предполагается применять наиболее широкодоступные компоненты. Так, в качестве источников лазерного излучения планируется использование лазерных светодиодов с длиной волны 650...660 нм. С учетом указанных принципов для этапа макетного образца можно обратить внимание на следующие способы модуляции из рассмотренных: аналоговая модуляция по интенсивности, широтно-импульсная модуляция, кодово-импульсная модуляция интенсивности.
При этом с точки зрения аппаратной реализации модулятора наиболее простым решением является использование кодово-импульсной модуляции интенсивности. Алгоритмы, реализующие работу данного типа модуляции, легко программируются, а аппаратная часть проста схемотехнически. Скорость и соответственно объем передаваемой информации ограничен быстродействием лазерного диода и фотоприемника.
Исходя из вышесказанного, оптимальным типом модуляции на этапе макетных работ, позволяющим передавать требуемый для работоспособности системы объем данных и являющимся при этом наиболее простым в плане технической реализации, является кодово-импульсная модуляция по интенсивности.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия инновациям по программе УМНИК.
Список литературы
1. Автоматическая посадка беспилотного летательного аппарата с помощью наземной системы лазерных маяков / Д.Ю. Лившиц [и др.] // XXIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: АО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2017. С. 81 - 83.
2. Скворцов Б. А., Иванов В.И., Крухмалев В.В. Оптические системы передачи: учебник для вузов / под ред. В.И. Иванова. М.: Радио и связь, 1994. 224 с.
3. Гауэр Дж. Оптические системы связи / пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. 504 с.
Лившиц Дмитрий Юрьевич, инж.-системотехник 1-й категории, pbsnik@,gmail.com, Россия, Саратов, АО ««Конструкторское бюро промышленной автоматики»
APPLICATION OF LASER EMISSION MODULATION FOR UA V A UTOMA TIC LANDING SYSTEM
D. Yu. Livshits 160
Article describes principles of existing methods of modulating laser radiation. A comparison made from the application for the automatic landing system point of view. The optimal type of modulation is chosen, which allows transferring the data required for the system's operability and at the same time the most simple in terms of technical implementation.
Key words: aviation, automatics, UAV, laser, modulation, landing.
Livshits Dmitry Ur'evich, engineer system technician, pbsnikagmail. com, Russia, Saratov, JSC «Design Bureau of Industrial Automatics»
УДК 517.958:57
АЛГОРИТМЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ГРАНЕЙ В ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ИСКУССТВЕННОГО ЗРЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ
ОБЪЕКТОВ
А.В. Абакумов, Р.В. Ермаков, Д.Ю. Лившиц, А. А. Львов, Е.Н. Скрипаль
Дано теоретическое обоснование возможности выделения граней в размытом изображении с помощью специального алгоритма в условиях дрожания (слабых вибраций) оптической оси средства снятия цифрового изображения. Дана простая математическая формализация понятия динамической сетчатки, которая показала, что информация, достаточная для выделения граней изображения, содержится в законе модуляции дисперсии выходного сигнала, снимаемого сетчаткой. Получены выражения для оптимального выбора порога определения границы изображения и нижней границы Крамера - Рао оценки дисперсии сигнала.
Ключевые слова: выделение граней изображения, случайные вибрации оптической оси, оценка порога дисперсии, информация по Фишеру, неравенство Крамера -Рао, стохастический резонанс.
Введение. При проектировании систем сбора видеоизображений, установленных на мобильных платформах, таких, как самолеты, спутники, автомобили, подвижные роботы, практически всегда борются с проблемой дрожания оптической оси. Обычно возникающие шумы изображения рассматривают как неизбежное паразитное воздействие, приводящее к снижению качества работы системы. Авторы делают попытку использовать этот шум для получения достоверной и достаточной информации при выделении граней исследуемого изображения.
Рассмотрим отдельный минимально разрешимый чувствительный элемент системы формирования изображения и проанализируем его выходной сигнал как функцию времени, когда сама система подвержена вибрации с малой амплитудой. Если изображение не имеет резко выделенных деталей или прочих особенностей, то есть представляет собой однообразную, светлую сцену, например, как в туманный день, то выходной сигнал
161
