CC BY
121
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
УДК 621.375
Ефимов В.О.
инженер АО «Швабэ» г. Казань, РФ, efimov_94@mail. ru Сарварова Л.М. старший преподаватель КНИТУ-КАИ,
г. Казань, РФ Тяжелова А.А. студентка КНИТУ-КАИ г. Казань, РФ
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДАЛЬНОМЕРНОГО КАНАЛА МОБИЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Аннотация
К задачам предэскизного проектирования дальномерного канала мобильных лазерных локационных систем (МЛЛС), которые будут рассмотрены в настоящей статье, относятся: выбор типовой схемы импульсного лазерного дальномера (ИЛД); определение основных требований к блокам ИЛД и выбор элементной базы для их построения; определение параметров лазерного передающего устройства (ЛПУ); определение параметров фотоприемного устройства (ФПУ). Главными звеньями, определяющими энергетические и точностные характеристики ИЛД являются ЛПУ и ФПУ. Разработка принципов построения этих блоков относится к стадии проектирования отдельных подсистем и блоков и рассмотрена более детально в синтезированной укрупненной структурной схеме ИЛД МЛЛС.
Ключевые слова
Мобильная лазерная локационная система, импульсный лазерный дальномер, лазерное передающее устройство, фотоприемное устройство, выбор элементной базы
Типовая структурная схема ИЛД [1-4] представлена на рис. 1. Принцип работы дальномера состоит в следующем. Излучение импульсного лазера 2, работающего в режиме модуляции добротности, фокусируется передающей оптической системой 3 и направляется в сторону объекта 5.
Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ИЛД: 1 - система накачки и управления лазера, 2 - импульсный лазер, 3 - передающая оптическая система, 4 -опорный фотодетектор, 5 - объект, 6 - пороговый детектор, 7 - усилитель, 8 - фотодетектор сигнальный, 9 - приемная оптическая система, 10 - измеритель временных интервалов, 11 - индикатор дальности
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
Часть излучения отводится на опорный фотодетектор 4 для формирования опорного канала и стартового импульса для измерителя временных интервалов 10. Отраженное объектом 5 излучение воспринимается приемной оптической системой 9 и направляется на сигнальный фотодетектор, откуда через усилитель 7 на пороговый детектор 6, в котором формируется стоповый импульс для измерителя временных интервалов 10. В измерителе временных интервалов 10 происходит измерение времени между стартовым и стоповым импульсами, соответствующее дальности до объекта. Данному принципу измерения дальности свойственна методическая ошибка, вызванная влиянием атмосферы и аппаратурные погрешности [3, 5-7].
Наиболее предпочтительным для обеспечения Rmax = 15 км является использование лазера на YAG:Nd3+, поскольку генерируемое им излучение
(X = 0,53 мкм, = 1,06 мкм)
попадает в окно прозрачности атмосферы [3]. Наличие высокой теплопроводности и низкого уровня порога генерирования кристаллов YAG позволяют создавать лазеры с большими частотами следования импульсов до 150 Гц. Существенным также является и возможность генерирования высокой мощности до 1 МВт при длительностях импульсов 20-25 нс. Потенциально лазерные дальномеры (ЛД) с непрерывным излучением могут составить конкуренцию ИЛД по точности измерений, отмечалась и энергетическая эквивалентность ИЛД и ЛД. Однако, массо-габаритные показатели последних не выдерживают никакой критики с точки зрения мобильности [8-12].
Расходимость излучения промышленных лазеров на YAG составляет единицы миллирадиан, что позволяет обеспечить без сложных коллиматоров, увеличивающих весо-габаритные показатели системы,
0Л « 0,5 -10"3рад.
Значения Рл =1 МВт, !ил =20 нс , =0,5-10-3 рад , X 1= 0,53 мкм; X 2 = 1,06 мкм, = 50 Гц будем
использовать при энергетических и точностных расчетах ИЛД.
Основные требования к ФПУ: малый угол поля зрения, малые шумы, широкий диапазон измерительного преобразования, широкая полоса пропускания, термостабильность, возможность стробирования, малые вес и габариты. Предпочтительнее для построения ФПУ использовать ФЭУ. Основополагающим в выборе ФЭУ являются разработанные для него меры, позволяющие реализовать требуемый для МЛЛС диапазон измерительного преобразования. Наиболее перспективным является использование в ФПУ съема сигналов с динодов ФЭУ с последующим выбором линейного диапазона. Системы построенные по такому принципу могут реализовывать диапазон измерительного преобразования 4-6 порядков, что в сочетании с автоматической регулировкой мощности излучения лазера дает возможность построить МЛЛС без механических элементов аттенюации в оптическом тракте. По термостабильности системы на ФЭУ с автоматическим выбором поддиапазоном превосходят ЛФД.
Величина угла поля зрения обычно не зависит от типа используемого фотодетектора и определяется оптической системой, содержащий объектив, диафрагму и интерференционный светофильтр. При диаметре
вырезающего отверстия диафрагмы dпр и фокусном расстоянии объектива Fi угол зрения приемника:
Gi = 2arctg ^V2^.
При стандартной линзовой оптике диаметром порядка 20 см получим Qh= 1 мрад. Данные ФЭУ, Qh=1 мрад необходимо использовать при точностном и энергетическом расчетах ИЛД.
Исходя из анализа вышеуказанного, можно составить достаточно укрупненную функциональную схему дальномерного тракта импульсного МЛЛС [4]. Эта схема приведена на рис. 2: 1 - приемная система, 2 - опорный фотодетектор, 3 - схема фазирования, 4 - схема формирования строб-импульса, 5 - схема стробирования ФЭУ, 6-9 - приемник ФЭУ, 10 - блок индикации, 11 - оперативное запоминающее устройство, 12 - арифметико-логическое устройство, 13 - измеритель временных интервалов, 14 - схема формирования, 15 - блок задержки, 16 - блок коммутации, 17 - аналоговый импульсный сумматор, 18 - блок пиковых детекторов, 19 - блок выбора каналов.
Рисунок 2 - Рекомендуемая структурная схема ИЛД МЛЛС
Приемная оптическая система 1 обеспечивает одновременную работу угломерного и дальномерного трактов МЛЛС. Поступающий на нее световой поток, отраженный от цели, разветвляется на четыре ФЭУ, что необходимо для измерения азимутальных и угломестных координат цели. В блоках ФЭУ резисторы нагрузки установлены в цепи 7 диодов (через один), что дает возможность реализовать четыре независимых семиканальных фотоприемника, которые подаются в блок пиковых детекторов для расширения и в блок задержки. Прошедшие пиковое детектирование и расширенные сигналы, снятые с динодов ФЭУ поступают в блок выбора канала БВК, где осуществляется выбор линейного поддиапазона и производится тем самым сжатие принятого сигнала. Выходными сигналами БВК являются четыре аналоговых сигнала мантиссы и цифровой код порядка, направляемые в блок сигналов угломерного тракта. Одновременно код порядка поступает на блок управления мощностью лазера. Мощность генерации лазера может изменяться в пределах примерно двух порядков, что позволяет в совокупности с семиканальным фотоприемником обеспечить требуемый диапазон измерительного преобразования системы.
Запоминание принятых сигналов в пиковых детекторах и процедура выбора сигнала требует некоторого времени (порядка 100-200 нс). Поэтому в ожидании принятого решения о потере канала, снятые с динодов ФЭУ короткие импульсы, необходимые в дальномерном тракте, запоминаются в блоке задержки. После завершения процедуры выбора канала, проведенной с растянутыми импульсами, код номера канала поступает на коммутирующий блок и пропускает четыре прошедших по одинаковым каналам импульса с четырех ФЭУ на аналоговый импульсный сумматор, осуществляющий функцию снижения Рпор. Выходной импульс, снимаемый с сумматора, уже уменьшен. Он изменяется в диапазоне 8. Этот импульс подается на схему формирования стоп-импульса.
Сигнал, соответствующий импульсу генерации лазера и сформированный опорным фотодетектором, также проходит схему формирования. Дело в том, что для сжатия динамического диапазона принимаемых сигналов и для обеспечения безопасного для летчиков облучающей мощности в системе используется, как уже указывалось, регулировка мощности зондирующего лазера.
Это приводит к изменениям амплитуды импульса, снимаемого с опорного фотодетектора и необходимости отыскания его энергетического центра. Одновременно опорный импульс проходит через схему задержки для своего фазирования с задержанными в блоке задержки импульсами, отраженными от цели. Схема стробирования, необходимая для блокирования помехи обратного рассеяния ПОР, запускается опорным импульсом и выдает запирающий импульс на ФЭУ. Преобразователь время-код реализуется по
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
импульсной схеме. Снимаемый с него код дальности корректируется в арифметико-логическом устройстве с целью внесения поправок на междинодные задержки. Эти поправки производятся за счет цифровой информации о коде номера канала, поступающей с БВК. Одновременно в АЛУ производится коррекция ошибок, возникающих за счет изменения параметров атмосферы. По завершению цикла преобразования и коррекции информация выводится в оперативное запоминающее устройство, где хранится до нового цикла измерения и одновременно выводится на индикацию.
Используя синтезированную схему ИЛД МЛЛС, можно переходить к его анализу и выбору элементной базы для его проектирования [13-17].
Список использованной литературы:
1. Molebny V., et al. Laser radar: historical prospective - from the East to the West // Opt. Eng. 2016. V. 56. № 3. P. 031220.
2. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. М.: Высшая школа, 1983. 207 с.
3. Зуев В.В., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере в условиях помех. М.: Сов. радио, 1977. 368с.
4. Васильев С.В. и др. Перспективные методы и средства траекторных измерений. Казань: Новое знание, 2005. 128 с.
5. Ефимов В.О. и др. Оптическая рефракция и модельные методы учета ее влияния на характеристики дальномерного тракта лазерного локатора слежения // Инженерный вестник Дона. 2017. №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n3y2017.
6. Ефимов В.О. и др. Дисперсионный метод учета статической и динамической рефракции для дальномерного тракта лазерного локатора слежения // Инженерный вестник Дона. 2017. №3. URL: ivdon.ru/magazine/ archive/n3y2017.
7. Ефимов В.О. и др. Методы компенсации влияния атмосферной турбулентности на точность измерения угловых координат в лазерных локаторах слежения // Научно-технический вестник Поволжья. 2017. №4.
8. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. ЛЧМ-лидар с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 12. С. 1871.
9. Ильин Г.И. и др. Блок импульсной накачки лидарных комплексов // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 5. С. 762.
10. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Исследования ЛЧМ-лидара с преобразованием частоты // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. № 2. С. 435.
11. Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Особенности построения электрооптических амплитудно-фазовых формирователей двухчастотного лазерного излучения для дифференциальных ЛЧМ-лидаров // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 5. С. 513.
12.Ильин Г.И., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. Применение амплитудно-фазо-вого преобразования частоты лазерного излучения для создания специальных схем ЧМ-лидаров // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 4. С. 360.
13. Morozov O.G., et al. Mobile leak detection systems for oil product pipelines // Proc. SPIE. V. 3588. 1999. P. 9098.
14. Petuchov V.M., et al. Lidar technologies application to leakage detection in oil product pipelines // Proc. SPIE. V. 3588. P. 81-89.
15.Natanson O.G., et al. Reflectometry in open and fiber mediums: technology transfer // Proc. SPIE. 2005. V. 5854. P. 205-214.
16.Nikolaev A.M., et al. Intellectual parachute and balloon systems based on fiber optic technologies // Proc. SPIE. 2014. V. 9156. P. 91560B.
17.Nikolaev A.M., et al. Fiber optic sensors for parachute systems monitoring // Proc. SPIE. 2010. V. 7523. P. 752308.
© Ефимов В.О., Сарварова Л.М., Тяжелова А.А., 2017
УДК 621.375
Ефимов В.О.
инженер АО «Швабэ» г. Казань, РФ, ейтоу_94@тай. ги Сарварова Л.М. старший преподаватель КНИТУ-КАИ,
г. Казань, РФ Тяжелова А.А. студентка КНИТУ-КАИ г. Казань, РФ
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УГЛОМЕРНОГО КАНАЛА МОБИЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Аннотация
К лазерным системам автоматического сопровождения по направлению (АСН) предъявляют повышенные требования по точности сопровождения скоростных целей. Как правило, это двухконтурные системы, предусматривающие реализацию принципа "грубого и точного" управления. Решающим фактором повышения динамичности сопровождения, а, следовательно, и возможности более точного наведения мобильной лазерной локационной системы (МЛЛС) на цель является проектирование малоинерционного оптоэлектронного блока (ОЭБ) ЛЛС. Эти вопросы будут рассмотрены в настоящей статье.
Ключевые слова
Мобильная лазерная локационная система, угломерный канал, лазерное фотоприемное устройство,
оптико-электронный блок, выбор элементной базы
Постановка задач предэскизного проектирования. В общем случае назначением оптико-электронного блока МЛЛС является формирование сигналов относительных угловых перемещений объекта слежения, расположенного в поле зрения системы и отражающего излучение зондирующего лазера. Указанные сигналы служат для получения управляющих воздействий на опорно-поворотную платформу МЛЛС, причем величина их определяется угловым рассогласованием между оптической осью системы и линией визирования на объект.
Для получения информации о положении объекта в поле зрения следящей системы применяются разнообразные устройства, начиная с простых, содержащих несколько расположенных рядом фотоприемников, и кончая достаточно сложными устройствами, использующими сканирующую технику.
Созданные к настоящему времени оптоэлектронные следящие устройства в зависимости от принципа действия, положенного в основу их работы, можно разделить на четыре группы: оптико-механические, фотоэлектронные, фотоэлектронные и полупроводниковые [1-3].
Работа оптико-механических следящих устройств основана на использовании подвижных сканирующих элементов. Рассогласование определяется в результате перемещения изображения относительно неподвижной диафрагмы с помощью подвижных отражающих преломляющих элементов.
Фотоэлектрические следящие устройства содержат в качестве воспринимающего элемента один или несколько фотоприемников, часто специальной конфигурации. Рассогласование определяется в результате сравнения потоков излучения поступающих на отдельные фотоприемники, или на основе измерения величины сигнала, снимаемого с профилированного фотоприемника.
В фотоэлектронных устройствах оптический сигнал преобразуется в поток электронов, переносящих изображение. Перемещение же электронного изображения относительно диафрагмы по некоторой траектории позволяет определить рассогласование.
В настоящее время интенсивно развивается класс полупроводниковых позиционно-чувствительных
