CC BY
45
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. т 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
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
устройств, классическими представителями которого являются квадратные фотодиоды, ПЗС-матрицы, элементы с "продольным фотоэффектом" [2, 3].
На стадии эскизного проектирования МЛЛС сопровождения необходимо:
1) определить тип используемой в оптико-электронном блоке оптической антенны, задать ее параметры;
2) выбрать из существующего многообразия методов построения следящих устройств наиболее подходящий.
При рассмотрении вопросов проектирования будем полагать, что функции непосредственного формирования управляющих сигналов в МЛЛС решаются в блоке обработки сигналов БОС. Выходными же сигналами оптико-электронного блока МЛЛС являются первичные сигналы рассогласования.
Критерии оценки оптико-электронных блоков (ОЭБ). Несмотря на кажущееся многообразие разработанных к настоящему времени оптических приемных антенн, а также методов и аппаратуры для измерения угловых координат цели [1-3], далеко не все из них могут быть использованы в МЛЛС сопровождения. Это объясняется с одной стороны спецификой систем лазерного сопровождения вообще, и с другой стороны - особенностями конкретного технического задания на проектируемую МЛЛС. Как правило, требуется измерять с точностью до 10" угловые перемещения цели, находящейся на расстоянии от 1 до 15 км и несущий зеркальный уголковый отражатель ЗУО диаметром 10 см. Габариты и вес приемопередающего блока должны быть минимальными.
Исходя из этих имеющихся данных, можно сформулировать те требования, которым должен удовлетворять ОЭБ МЛЛС. Это:
1. Возможность работы с сигналами, изменяющимися в широком динамическом диапазоне;
2. Возможность регистрации малых угловых перемещений точечной цели;
3. Возможность максимально быстрого получения информации об угловом положении цели;
4. Минимальный вес, габариты;
5. Возможность простой и точной юстировки системы.
Первое требование легко объясняется. С учетом флуктуаций, вызванных спекл-структурой лазерного излучения, а также возможного диапазона изменения метеорологической дальности видимости [4], при вариации дальности до цели от 1 до 15 км динамический диапазон изменения входных сигналов, обрабатываемых ОЭБ превысит 6 порядков [5-7]. Второе и третье требования связаны с достаточно высокой угловой скоростью перемещения цели, вынуждающей для уменьшения динамической ошибки сопровождения увеличить скорость поступления (и соответственно обработки) информации об ее угловом положении. Четвертое и пятое требования вызваны необходимостью эксплуатации системы мобильно или на борту и в достаточно разнообразных погодных условиях [4-7]. Используя коммерческий принцип анализа каких-либо объектов, можно ввести и шестой критерий - цена. По мере соответствия сфомулированным требованиям мы и будем оценивать соответствующие варианты построения ОЭБ.
Известно, что в МЛЛС, предназначенных для точного углового слежения, за перемещающейся с достаточно высокой скоростью целью, применяются импульсные лазерные передатчики. Только передатчик с мощностью излучения 1 МВт может обеспечить требуемый диапазон рабочих дальностей. Поэтому в таких МЛЛС можно использовать только моноимпульсный принцип углового сопровождения, имеющий несомненные преимущества по сравнению с методами сопровождения, использующими различные виды сканирования. В моноимпульсных системах направление на цель определяется путем сравнения отраженных от цели сигналов, принятых одновременно несколькими каналами системы, с образованными из одного зондирующего импульса. Полная трехмерная информация об угловом положении цели получается из каждого импульса принимаемого сигнала. Это весьма существенно для МЛЛС, т.к. возможная частота следования зондирующих импульсов лазера ограничена, скорость перемещения цели достаточно велика, а динамическая ошибка и устойчивость углового сопровождения цели зависит от скорости поступления информации об ее положении.
Исходя из вышесказанного, для использования в проектируемой ЛЛС не подходят оптико-механические и фотоэлектронные следящие устройства, как функционирующие при квазипостоянных
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
световых сигналах, и непрерывные ЛЧМ дальномеры [8-12], соответственно не обеспечивающие выполнения сформулированных третьего и четвертого требований.
Для использования в ЛЛС пригодны фотоэлектрические и полупроводниковые позиционно-чувствительные устройства, которые хорошо описаны в [3, 13-17]. В настоящее время широкое распространение получили ЛЛС на базе квадратных ФЭУ и фотодиодов, а также четырех детекторные со светоделительной зеркальной пирамидой. Именно эти системы в сравнении друг с другом мы и рассмотрим далее.
Как уже указывалось, оптическая антенна является одной из основных частей ОЭБ. Возможные пути их построения хорошо рассмотрены в [2, 3]. Поэтому, используя материалы этого источника, а также материалы по зарубежным МЛЛС [1], можно однозначно рекомендовать для проектируемой МЛЛС оптическую систему, изображенную на рис. 1.
2
4 —»— —►—¿ с
..........- -изГТГ^ч 1 d„ Fi Л / 1 6 )
Рисунок 1 - Схема приемной телескопической антенны: 1 - объектив, 2 - диафрагма, 3 - окуляр, 4 - интерференционный фильтр, 5 - фокусирующая линза, 6 - фотодетектор
Альтернативным вариантом для МЛЛС с оптической антенной, изображенной на рис. 1, являются высокоточные системы углового сопровождения, имеющие четырех объективную оптическую систему, построенную на базе четырех аналогичных антенн и, соответственно, четырех фотодетекторов. Поэтому при дальнейшем анализе именно эти две системы мы включили в число рассматриваемых.
Обсуждение результатов. Рассмотрев различные варианты построения ОЭБ, мы пришли к выводу, что наиболее предпочтительным является использование в проектируемой МЛЛС однообъективного ОЭБ со светоделительной пирамидой и четырьмя ФЭУ. С ОЭБ данного типа мог бы конкурировать ОЭБ с классической оптикой (рис. 1) на базе полупроводникового квадрантного фотоприемника. Но здесь необходимо использование импортных фотодетекторов. Применение четырех ФЭУ позволит достичь требуемой крутизны пеленгационной характеристики и нужной чувствительности системы, но потребует для устранения влияния на точность углового сопровождения долговременных дрейфов параметров фотоприемников введения в ОЭБ реперного оптического контрольного сигнала для коррекции "электрической оси" МЛЛС. Для окончательного решения о выборе ОЭБ необходимо рассмотреть вопрос о реализации ОЭБ и АСН на базе телевизионной камеры. По прогнозам такая система может быть очень динамична и высокочувствительна.
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
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №08/2017 ISSN 2410-6070_
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. 90-98.
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 004.942
И.В. Жукова
Студентка 1 курса магистратуры кафедры «Компьютерные системы и сети»
КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана А.М. Донецков
к.т.н., доцент кафедры «Компьютерные системы и сети» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана
Г. Калуга, Российская Федерация А.В. Родионов
к.т.н., доцент кафедры «Компьютерные системы и сети» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана
Г. Калуга, Российская Федерация
ПРИМЕНЕНИЕ СЕТЕЙ ПЕТРИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНАЛОГОВОГО ИНТЕРФЕЙСА
СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ
Аннотация
Рассмотрены вопросы формальной верификации системы на кристалле посредством моделирования
