Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и средства формирования информационных полей современными отечественными и зарубежными оптико электронными зрительными навигационными комплексами и моностатическими непрерывными доплеровскими лидарами
1.1 Аналитический обзор отечественного и зарубежного зрительного навигационного оборудования 69
1.2 Аналитический обзор отечественных и зарубежных дистанционных средств измерения параметров ветра
Глава 2 Новый принцип построения системы формирования информационного поля секторного навигационного комплекса на суперярких светодиодах 93
2.1 Существующие методы расчета светотехнических параметров и определение дальности действия светсигнальных установок 94
2.2 Новая методика определения параметров информационного поля секторного навигационного комплекса 96
2.3Новый метод расчета параметров диаграммы направленности монохроматического сектора 97
2.4Новый способ определения ширины переходной зоны между монохроматическими секторами 155
2.5 Воздействие излучения на зрительный анализатор на малых дистанциях визирования огня СНК 159
Глава 3 Обоснование выбора рабочей длины волны излучения моностатического непрерывного доплеровского лидара 163
3.1 Определение эффективности взаимодействия лазерного излучения с атмосферой на основе анализа зависимостей показателя ослабления и объемного коэффициента обратного 165
рассеяния от различных условии зондирования
3.2 Сравнение эффективности лидаров с различными длинами волн излучения
3.3 Разработка модели воздействия фонового излучения на фотоприемное устройство лидара 3.4 Обоснование выбора полосового фильтра для снижения воздействия фонового излучения на фотоприемное устройство лидар.. 190
3.5 Способ определения уровня фоновой облученности фотоприемного устройства, защищенного полосовым фильтром, стоящим в приемо - передающем тракте лидара 196
3.6 Способ расчета эффективности применения фотоприемного устройства лидара 199
3.7 Способ определения структуры сигнала моностатического
Глава 4 Анализ возможностей контроля ширины спектра излучения моностатического непрерывного доплеровского лидара 215
4.1 Разработка математического выражения спектра сигнала лидара с учетом ширины спектра излучения источника 216
4.2 Обоснование необходимости контроля ширины спектра излучения источника лидара 224
249
4.3 Новый способ контроля ширины спектра излучения по величине спектральной плотности мощности на разностной частоте 235
4.4 Определение зависимости ширины спектра излучения от конструктивных параметров полупроводникового лазера 242
4.5 Способ стабилизации частоты генерации лазерного излучения внешним воздействием 254
Глава 5 Новый принцип построения системы формирования информационного поля моностатического непрерывного доплеровского лидар ..
5.1 Новая методика определения параметров информационного 257
5.2 Новый метод расчета эффективности гетеродинирования лидара 257
Глава 6 Экспериментальные исследования и практическая значимость полученных результатов 283
6.1 Результаты применения мобильных секторных навигационных комплексов на основе суперярких светодиодов на водном транспорте 284
6.2 Результаты применения мобильных секторных навигационных комплексов на основе суперярких светодиодов на воздушном транспорте 289
6.3 Результаты применения мобильных моностатических непрерывных доплеровских лидаров 295
Заключение. Основные результаты и выводы 302
Список литературы 306
Перечень сокращений
- Аналитический обзор отечественных и зарубежных дистанционных средств измерения параметров ветра
- Новая методика определения параметров информационного поля секторного навигационного комплекса
- Сравнение эффективности лидаров с различными длинами волн излучения
- Обоснование необходимости контроля ширины спектра излучения источника лидара
Введение к работе
Актуальность. Диссертационная работа направлена на создание
мобильных малогабаритных не бортовых оптико – электронных комплексов
(ОЭК): средств обеспечения посадки летательных аппаратов (ЛА) на
малоразмерные (корабельные) площадки и проводки кораблей по
необорудованным фарватерам. В соответствии с руководствами по навигации [28, 31, 32], от них требуется световая сигнализация о траектории перемещения - световое поле (СП) с управляемыми характеристиками, и параметры ветра (ПВ) в зоне движения на дистанции до 1000м. На время работы над диссертацией ОЭК, отвечающие требованиям, отсутствовали, что определялось характеристиками источников и подходами к формированию поля излучения. Совершенствование полупроводниковых источников позволяет применить их в ОЭК для выполнения поставленных актуальных задач. Это осуществляется решением двух научных проблем.
Информативность и простота восприятия – основные требования к световым сигналам мобильных СНО, которым более всех соответствуют секторные навигационные комплексы (СНК), СП которых состоят из монохроматических секторов (МС). Такие приборы с неуправляемыми полями используется для посадки ЛА на аэродромах (системы PAPI, APAPI) и проводки кораблей в портах (ТОНы – точные огни наведения), т.е. в условиях неизменной обстановки [1, 28, 31, 32]. При случайном месте размещения важно учитывать изменение обстановки, корректируя траекторию движения управлением СП. К началу работы над диссертацией это не было реализовано из – за ограничений источников (ламп [1, 26]) и примененного одиночного подхода к построению СП (каждому элементу поля соответствует один элемент источника). Лазерные источники [20, 21, 22], открывшие новое направление в навигации – лазерные створы [7, 20, 22, 28, 29, 30, 33], имеют преимущества перед лампами, но для СНК не оптимальны из - за ограничений воздействия на зрение в авиации и сложности преобразования луча в широкое непрерывное поле. Таким образом, необходим источник, позволяющий осуществить новый подход к формированию СП мобильного комплекса, и сформулировать новый принцип построения СНК. Новый групповой подход (ГП) к построению СП: каждый элемент поля формируется несколькими независимыми излучателями. Источник для его реализации – суперяркий светодиод (СИД) [27, 28, 32, 40], имеет необходимые цвета, световую отдачу, минимальные габариты, плоское тело излучения. При ГП группы излучателей малоразмерны и близко расположены, их поля накладываются с пренебрежимо малым смещением, а соответствующие излучатели каждой группы строят один и тот же элемент поля. При наблюдении их огни воспринимаются слитно. Это основа ГП. Независимое управление излучателями позволяет управлять параметрами СП, для этого необходимо постоянство угловых размеров секторов, составляющих поле, до дальности действия комплекса и минимизация переходных зон (ПЗ) на границах секторов. В случае крупногабаритных источников (лампы с блоками светофильтров и согласующей оптикой) реализация ГП затруднена.
Следовательно, первая научная проблема решаемая в диссертационной работе – создание СП СНК с управляемыми размерами, цветом и проблесковыми характеристиками, путем формирования каждого его элемента, как совокупности изображений тел излучения излучателей с СИД.
Дистанционное измерение ПВ реализуется несколькими методами [5, 9]:
1. Акустический (содар). Измерение вертикального профиля ветра, мертвая
зона до 20 м, влияние турбулентности атмосферы и внешних шумов, имеет
взаимную зависимость разрешений по скорости (n1 м/с) и дальности (n10 м),
размеры n1 м, вес n100 кг, влияет на органы слуха.
2. Радиоакустический (совместно содар и радиолокатор). Недостатки
содара, диапазон измерений до 10 м/с, вредное воздействие радиоизлучения.
3. Радиолокационный (радиолокатор). Мертвая зона до n100 м,
большинство антеннn(11000) м2, потребляемая мощность n(1100) кВт,
время накопления сигнала до n10 мин., погрешность измерения до n1 м/с, не
работает в ясную погоду, при малых турбулентностях и скоростях ветра.
Указанные ограничения не позволяют использовать их в мобильных
средствах измерения ПВ. Безаварийность посадок ЛА требует измерений ПВ
вдоль траектории на удалении 101000 м с разрешением 0.530 м и точностью -
не более 0.2 м/с. Размеры средств: не более 0.50.50.5 м.Поэтому выбран
метод моностатического непрерывного доплеровского лидара (МНДЛ), его
принципы работы позволяют выполнить задачу. Ограничения по
метеовидимости (МДВ) компенсируются локацией с расстояний не более МДВ. Применение МНДЛ на СО2 – (Р=1015 Вт, =10.6 мкм, f 100 кГц) и твердотельных (Р=23 Вт, =1.54 мкм) лазерах ограничено габаритами, массой, энергопотреблением, недостатками [2, 5, 8, 37, 38, 39] для СО2 – лидара: шумы криогенной машиной (77К) фотоприемника (ФПУ) снижают чувствительность, деформация резонатора нарушает одночастотный режим, сигнал зависит от концентрации крупных аэрозолей; для лидара на твердотельном лазере – шумы источника. Для обеспечения мобильности необходим источник, на основе применения которого формулируется новый принцип построения МНДЛ. Параметры новых полупроводниковых лазеров (ПЛ) позволяют применить их в атмосферных МНДЛ.
Таким образом, вторая научная проблема, решаемая в диссертационной работе – построение МНДЛ на ПЛ, учет влияния параметров его зоны излучения и рабочей площадки ФПУ на пространственную эффективность приема сигнала.
СНК, реализующий ГП к построению СП, и МНДЛ на ПЛ, имеющие сходство ряда параметров источников и оптических систем (ОС), можно в общем описать как источник и ОС, строящую его изображение, из которых формируется информационное поле (ИП) комплекса, определяемого как система формирования информационного поля (СФИП). ИП СНК – это поле излучения, состоящее из ряда монохроматических секторов. ИП МНДЛ – это пространственное распределение эффективности гетеродинирования в области совмещения сформированных полей зондирующего канала и опорного, построенного в обратном ходе луча.
Степень разработанности. На момент начала работы автора над созданием СНК на СИД, публикаций по управляемым ИП СНК на СИД не было. В ТОНах, глиссадных огнях PAPI и APAPI использовано одиночное построение поля, не дающее необходимой управляемости [31, 32, 40]. Имелись публикации: по применению СИД в навигационных огнях с СП без четких границ [27, 28, 32]; для СО2- МНДЛ - по расчету распределения сигнала вдоль оптической оси [2]; по управлению шириной спектра газовых лазеров [6]; перестройкой длины волны ПЛ через управление температурой кристалла и величиной рабочего тока [18, 19]; по непрерывным и импульсным доплеровским лидарам измерения ПВ на СО2 – и твердотельных лазерах [2, 5, 8, 37, 38, 39]. Публикации по атмосферным МНДЛ на ПЛ и их образцы отсутствовали. Следовательно, можно сформулировать цель работы и задачи исследований.
Цель работы. Выполнение комплексных научных и экспериментальных
исследований, расчетных и схемотехнических решений, направленных на
разработку новых принципов построения систем формирования
информационных полей и создание на их основе: 1) мобильных СНК на СИД для навигации ЛА при посадке на малоразмерные (корабельные), площадки и проводки кораблей по необорудованным фарватерам; 2) малогабаритных мобильных МНДЛ на ПЛ для измерения ПВ.
Задачи исследований:
1) визуально траектория движения определяется по характеристикам огня,
для ее корректировки необходимо управление параметрами ИП, реализация
которого требует найти отличающийся от существующего подход к
построению поля мобильного СНК;
2) управляемость пространственно – временными параметрами ИП
обеспечивается его групповым построением, которое достигается
пространственным совмещением полей излучателей, для чего требуется
определить принцип построения СФИП комплекса;
-
при ГП требуется точность совмещения полей, которую необходимо подтвердить расчетом их параметров, определив методику, включающую адаптированные к мобильному СНК на СИД расчеты, учитывающие параметры его СФИП и условия распространения излучения, позволяющие получить характеристики ИП;
-
дистанционное измерение ПВ на неподготовленном объекте решается МНДЛ мобильного исполнения, определяемого малогабаритным источником, необходимо рассмотреть возможность выполнения этого путем использования в лидаре ПЛ;
5) отличия ПЛ от применяющихся СО2 – и твердотельных лазеров требуют
учета через определение принципа построения СФИП МНДЛ на ПЛ;
6) работоспособность атмосферного МНДЛ определяется распределением
эффективности гетеродинирования в зоне локации, необходимо учесть влияние
параметров ПЛ и ФПУ на это распределение через методику, включающую
расчет ИП МНДЛ на ПЛ и пути его оптимизации через управление
характеристиками ПЛ.
Объект, предмет и методы исследований Объект исследований. Информационные поля и зависимость их характеристик от параметров секторных навигационных комплексов и непрерывных моностатических доплеровских лидаров.
Предмет исследований. Разработка новых мобильных секторных навигационных комплексов на суперярких светодиодах для навигации и новых мобильных непрерывных моностатических доплеровских лидаров на полупроводниковых лазерах для мониторинга атмосферы.
Методы исследований. 1. Метод расчета диаграммы МС на основе последовательности изображений. 2. Метод визуального определения параметров ИП СНК на СИД по данным независимых наблюдателей с применением средств водного и воздушного транспорта. 3. Метод расчета пространственного распределения эффективности гетеродинирования МНДЛ на ПЛ в зоне локации. 4. Метод определения пространственного распределения амплитуды рабочего сигнала в зоне локации по сигналу от локальных динамических отражателей. 5. Метод осреднения параметров зон ветрового поля, полученных МНДЛ.
Научная новизна
Предложены и реализованы
1. Принцип построения системы формирования информационного поля
секторного навигационного комплекса на суперярких светодиодах, научная
новизна которого заключается: в формировании каждого элемента секторов
поля совокупностью изображений тел излучения независимых излучателей,
объединенных в систему формирования информационного поля комплекса,
снимающем ограничения по управляемости размерами, цветом, проблесковыми
характеристиками, в отличие от традиционного одиночного подхода, когда
каждому элементу поля соответствует только один источник.
2. Методика определения параметров информационного поля секторного
навигационного комплекса, научная новизна которой состоит: в независимом
получении параметров секторов и переходных зон при совместном применении
предложенных метода расчета диаграммы сектора и способа определения
ширины переходной зоны, дающая возможность формировать
информационные поля, отвечающие требованиям обеспечения посадки
летательных аппаратов на малоразмерные (корабельные) площадки и проводки
кораблей по необорудованным фарватерам по сравнению с методиками
комплексов, ограниченными в возможности формирования полей из – за
взаимной зависимости их параметров.
3. Метод расчета диаграммы сектора, научная новизна которого
основывается на ее представлении последовательностью изображений,
учитывающем параметры источника, пространственную фильтрацию
оптической системы и атмосферы, влияние рассеяния излучения на вероятность
обнаружения огня, позволяющем определить форму контура и параметры
системы формирования поля сектора, в отличие от применяемых методов, не
учитывающих одновременно перечисленные параметры.
4. Способ определения ширины переходной зоны между секторами, научная
новизна которого базируется на учете взаимной ориентации секторов через
дальность действия комплекса совместно с их параметрами и характеристиками
оптических систем, отличающем его от способа определения ширины границ
между элементами поля комплексов, не имеющими независимой ориентировки.
-
Принцип построения системы формирования информационного поля непрерывного моностатического доплеровского лидара на полупроводниковом лазере, научная новизна которого состоит: в формировании пространственного распределения эффективности гетеродинирования в зоне локации – информационного поля лидара - как совокупности изображений поперечных сечений полей зондирующего и опорного каналов, позволяющем использовать полупроводниковый лазер с плоским телом излучения, в отличие от существующего принципа построения доплеровских лидаров на газовых и твердотельных лазерах.
-
Методика определения информационного поля лидара, позволяющая получить параметры системы формирования информационного поля, научная новизна которой содержится: в применении новых - метода расчета эффективности гетеродинирования, учитывающего особенности полупроводникового лазера, и способа контроля ширины спектра, использующего составляющую рабочего сигнала, в сравнении с методикой определения поля лидара на СО2– лазере, не предусматривающей применение плоского источника и корректировку ширины спектра по рабочему сигналу лидара.
7. Метод расчета эффективности гетеродинирования лидара, как
пространственного распределения сигнала в области наложения
сформированных полей зондирующего и опорного каналов научная новизна
которого определяется: использованием параметров плоских излучающей
поверхности источника и чувствительной площадки фотоприемника, совместно
с характеристиками спектра, оптических систем и атмосферы для получения
трехмерного распределения сигнала, в отличии от метода расчета
эффективности гетеродинирования лидара на СО2 – лазере, создающего
одномерное распределение вдоль оптической оси.
8. Способ контроля ширины спектра излучения, научная новизна которого
характеризуется: учетом ее пропорциональности амплитуде составляющих
спектра сигнала лидара для реализации обратной связи через управление
температурой кристалла и величиной рабочего тока полупроводникового
лазера, в сравнении с существующими способами контроля, не использующими
рабочий сигнал лидара.
В целом, научная новизна результатов, полученных автором, подтверждена реализацией предложенных принципов, методик, методов, способов, как научных подходов развития новых направлений полупроводниковой оптико – электроники в области разработки, создания и внедрения:
- мобильных СНК зрительной навигации для посадки ЛА на малоразмерные (корабельные) площадки и проводки кораблей по необорудованным фарватерам;
- мобильных малогабаритных НМДЛ измерения ПВ в зоне движения.
Теоретическая и практическая значимость Теоретическая значимость работы. Предложены новые: 1) групповой подход к созданию ИП СНК, реализованный в новом принципе построения СФИП СНК на СИД, базирующийся на методике, включающей метод и способ определения параметров ИП СНК на СИД; 2) источник излучения для атмосферного доплеровского лидара – ПЛ, применение которого реализовано новым принципом построения СФИП МНДЛ, базирующемся на методике, включающей метод и способ определения и контроля параметров ИП МНДЛ на ПЛ.
Практическая значимость работы. Техническими результатами
предложенных и реализованных принципов, методик, методов и способов является развитие на их основе:
мобильных секторных навигационных комплексов для обеспечения зрительной навигации при посадке летательных аппаратов на необорудованные и малоразмерные, в том числе корабельные, площадки и проводке кораблей по сложным фарватерам в условиях необорудованного побережья, которые могут быть предложены к рассмотрению, как развитие нового направления в средствах навигационного оборудования (СНО) на основе суперярких светодиодов;
мобильных доплеровских лидаров на полупроводниковых лазерах, размещаемых на необорудованных площадках, для решения задач измерения параметров ветра на малых и средних дистанциях в зоне движения, которые могут быть предложены к рассмотрению, как развитие нового направления в средствах мониторинга атмосферы.
Полученные результаты используются: 1. При разработке изготовленной на АО «РПЗ» системы посадки вертолетов для кораблей пр. 20380 (ЦМКБ «Алмаз» г. С – Петербург). 2. При разработке и изготовлении НТП «Аэрооптика» глиссадных маяков для МЧС. 3. При разработке и изготовлении НТП «Аэрооптика» СНК на СИД для проводки кораблей. 4. При разработке серийно изготавливаемой на АО «РПЗ» метеоаппаратуры МА-Л202. 5. При разработке серийно изготавливаемых на АО «РПЗ» определителей параметров ветра (ОПВл) для кораблей пр. 22350 (ОАО «Северное ПКБ» г. С– Петербург). 6. При разработке НТП «Аэрооптика» модуля МНДЛ на ПЛ.
Положения, выносимые на защиту
1. Новый принцип построения системы формирования информационного поля секторного навигационного комплекса на суперярких светодиодах, позволяет создать: управляемое информационное поле для выполнения посадки летательных аппаратов на малоразмерные (корабельные) площадки и проводки кораблей по необорудованным фарватерам за счет формирования элементов секторов совокупностью изображений тел излучения независимых излучателей, объединенных в систему формирования информационного поля комплекса; снять ограничения по управляемости размерами, цветом, проблесковыми характеристиками поля; обеспечить отсутствие ослепления при близком наблюдении огня; снизить массу и габариты в 2 4 раза;
энергопотребление в 7 8 раз, в отличие от традиционного принципа построения - каждому элементу поля соответствует один источник.
2. Новая методика определения параметров информационного поля
секторного комплекса позволяет независимо формировать сектора и
переходные зоны, совместно применяя предложенные метод расчета
диаграммы сектора и способ определения ширины переходной зоны, в
результате, угловые размеры секторов можно увеличить, более чем в 5 раз при
сохранении дальности действия и ширины переходных зон, за счет подбора
количества, ориентировки, размеров полей излучателей и их групп, по
сравнению с методиками комплексов, ограниченными в формировании полей
из – за взаимной зависимости их параметров.
-
Новый метод расчета параметров диаграммы сектора позволяет: уточнить конфигурацию ее удаленного участка, составляющего до 1/3 длины, за счет ее представления последовательностью изображений, учитывать -параметры источника, фильтрующие свойства оптической системы и атмосферы, влияние рассеяния излучения комплекса на вероятность обнаружения огня, по сравнению с методами, не учитывающими одновременно вышеперечисленные параметры.
-
Новый способ определения ширины переходной зоны позволяет обеспечить учет ориентации, параметров секторов и оптических систем, дальности действия комплекса, для получения ее ширины не более 4 6 угл. мин. при сохранении максимальной дальности действия и отсутствия ограничения угловых размеров секторов, в отличие от способа определения ширины границ между элементами поля, не имеющими независимой ориентировки.
5. Новый принцип построения системы формирования информационного
поля непрерывного моностатического доплеровского лидара на
полупроводниковом лазере позволяет реализовать пространственное
распределение эффективности гетеродинирования в зоне локации –
информационное поле лидара, за счет формирования его совокупностью
изображений поперечных сечений полей зондирующего и опорного каналов,
что позволяет использовать полупроводниковый лазер, снизить массу,
габариты и энергопотребление в 4 10 раз, в отличии от принципа построения
лидаров на газовых и твердотельных лазерах.
6. Новая методика определения параметров информационного поля лидара
обосновывает возможность уменьшения мощности излучения в 50 100 раз
при применении полупроводникового по сравнению с СО2– лазером за счет
перехода на длину волны 0.9 1 мкм, применения новых: метода расчета
эффективности гетеродинирования и способа контроля ширины спектра по
сигналу лидара.
7. Новый метод расчета эффективности гетеродинирования лидара на
полупроводниковом лазере, как пространственного распределения сигнала в
области наложения сформированных полей зондирующего и опорного каналов,
позволяет достичь повышения интенсивности сигнала в 1.5 2 раза за счет
учета параметров излучающей поверхности источника и чувствительной
площадки фотоприемника, характеристик спектра, оптической системы и атмосферы, в отличии от метода расчета эффективности гетеродинирования лидара на СО2– лазере, дающего одномерное распределение вдоль оптической оси.
8. Новый способ контроля ширины спектра излучения лидара на полупроводниковом лазере позволяет обеспечить ее уменьшение в 2 3 раза, по сравнению с СО2 – лидаром, за счет учета пропорциональности ширины спектра сигнала лидара амплитуде его составляющих для реализации обратной связи через управление температурой кристалла и величиной рабочего тока лазера.
Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались и обсуждались: 1) на Международной научно – технической конференции «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники» (Жуковский, 2000); 2) на VIII Международной научно – технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2002); 3) на XIII Международной научно – технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (Сочи, 2002); 4) на XIVМеждународной научно – технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (Адлер, 2003); 5) на XXV Международной научно – технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (Туапсе, 2014). Основное содержание опубликовано в 36 печатных работах, в том числе в 5 патентах (с соавторами), их список приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Материалы, представленные в диссертации,
получены лично или при непосредственном участии соискателя. Им лично
сформулированы научные задачи, выбраны пути решения, схемы
экспериментов. Данная диссертационная работа является логичным
продолжением его дипломной работы «Однолучевой лазерный доплеровский измеритель путевой скорости самолета» и кандидатской диссертации «Зрительные оптико – электронные навигационные комплексы на основе полупроводниковых источников света».
Достоверность результатов и выводов. использованием известных положений фундаментальных наук, экспертизой Федеральной службы интеллектуальной собственности с выдачей патентов РФ, а также обеспечивается результатами стендовых, натурных испытаний, внедрениями в серийное производство, подтвержденными актами внедрений.
Соответствие диссертации научной специальности 05.11.07
Диссертация соответствует следующим областям исследований: по п.1 -«Исследование и разработка новых методов и процессов, которые могут быть положены в основу создания оптических и оптико – электронных приборов, систем и комплексов различного назначения»: 1) проведены исследования и разработка новых методов, которые использованы при создании оптико – электронных комплексов навигации и мониторинга атмосферы, использующих электромагнитное излучение оптического диапазона длин волн в процессе которой решаются задачи измерения физических величин (дистанционный контроль параметров воздушной среды) и передачи информации (визуальная ориентировка по характеристикам излучения); 2) проведены разработка и
исследование характеристик комплексов; 3) полученные результаты позволяют рекомендовать реализованные комплексы как средства научного эксперимента, а так же для решения задач народно – хозяйственного значения.
Структура и объем работы.
Аналитический обзор отечественных и зарубежных дистанционных средств измерения параметров ветра
Система формирования информационных полей это совокупность элементов, объединенных единым алгоритмом преобразования электромагнитного излучения источника в форму, удобную для выделения из нее полезной информации. Само понятие «СФИП» может широко применяться в различных областях оптико - электроники для описания функционирования приборов и комплексов. В частности, она применена для описания СНК и МНДЛ на основе полупроводниковых источников излучения в следствии имеющейся общности подходов к их построению. СНК являются составной частью большой группы средств навигации -зрительных средств навигационного оборудования (СНО). Они предназначены, как отмечается в публикациях [3, 4, 13, 14, 55, 56, 159, 184, 185], для обеспечения безопасной проводки судов по сложным фарватерам и посадки летательных аппаратов (ЛА). Их основная функция состоит в формировании полей излучения, по характеристикам которых ведется визуальная ориентация. В основе способов передачи информации лежат: свет, модуляция, цвет и взаимное пространственное расположение полей излучения.
СНК являются одними из наиболее информационно насыщенных и, одновременно, наиболее сложных НК визуальной ориентации по способу построения СФИП. Возможность создавать такие комплексы появилась только на определенном этапе развития техники, а качество и количество передаваемой полезной информации определялось заложенными в их основе СФИП. В работе рассмотрены созданные в разное время зрительные СНО и проанализированы их особенности, которые учитывались при построении новых СНК на полупроводниковых источниках излучения на основе нового подхода к формированию ИП.
Последовательное рассмотрение зрительных СНО - от самых простых до наиболее сложных - СФИП СНК, обеспечивающих максимальный объем передаваемой информации, позволяет проследить динамику их развития и выбрать пути построения с использованием перспективных полупроводниковых источников излучения.
Системы формирования информационных полей зрительных средств навигационного оборудования.
Система формирования неселектированного по спектру и не трансформированного геометрически поля излучения. Наиболее древняя из применяемых в зрительной навигации. Она представляет собой отдельный источник излучения, в качестве которого использовались, сменяясь со временем: костер, жировой светильник, керосиновая или газовая горелка. Излучение источника ничем не трансформировалось и распространялось естественным образом по всем направлениям. Информационная емкость такого способа передачи информации минимальна - индицируется только место расположения источника излучения. Структурная схема такой СФИП, построенная по материалам публикаций [20, 145, 146], представлена на рисунке 1-2: Рис. 1-2 СФИП НК без воздействия на поле излучения: 1 - источник излучения; 2 - поле излучения (информационное поле (ИП)).
Недостатки системы: невозможность при ее применении реализовать построение секторного информационного поля.
Первые способы увеличения информативности поля излучения (эпоха античности). Оно достигалось введением механической модуляции, т.е. Глава 1 периодическим перекрыванием непрозрачным экраном источника излучения. СФИП, построенная по материалам публикаций [20, 145, 146], расширила свои возможности введением временной модуляции излучения, рисунок 1-3. Переходные зоны, в соответствии с публикациями [20, 145, 146], определяющие качество формируемых ИП, поясняются рисунком 1-4. 3 4 Рис. 1-4 Формирование переходных зон на границах информационных секторов в НК с механической модуляцией поля излучения: 1 - источник излучения; 2 - механический модулятор поля излучения (система временной трансформации излучения); 3 - сформированное поле излучения (ИП); 4 - переходная зона (размывание границ информационных секторов). Недостатки системы: - набор информационно различимых параметров минимален - только механическая модуляция; Глава 1 - низкий КПД системы; невозможность получить высокое качество геометрических параметров информационных секторов.
Оснащение источников излучения на маяках дополнительными элементами. Первыми системами геометрической трансформации поля излучения были зеркала (металлические полированные пластины), отражающие значительную долю падающего на них излучения. Это увеличило дальность действия зрительных СНО и позволило формировать геометрию поля излучения, которая определялась размерами источника излучения, параметрами системы геометрической трансформации и их взаимным расположением. Структура СФИП таких СНО, рассмотренная в материалах публикаций [20, 145, 146], представлена на рисунке 1-5: 1 Рис. 1-5 СФИП НК с временной и геометрической трансформацией поля излучения:
Новая методика определения параметров информационного поля секторного навигационного комплекса
Навигационное оборудование на основе суперярких светодиодов. СИД красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего, белого цвета свечения отвечают приведенным выше требованиям. Световая отдача однокристальных СИД в зависимости от цвета свечения колеблется в пределах 35 ч- 85 лм/Вт и до 160 лм/Вт для белых светодиодов. Мощность излучения при этом может достигать долей Ватт. Они имеют характерные габаритные размеры: прозрачный корпус в пределах 3 4- 5 мм; характерный размер полупроводниковых кристаллов составляет 0.5 - 1 мм; угол раскрыва формируемого потока излучения - от единиц до десятков градусов. Преимущества СИД по сравнению с ламповыми источниками излучения, обобщенные на основании данных, приведенных в литературе [39, 130, 190, 225, 232, 244, 246, 249, 250, 251], подтверждаются диаграммой, Глава представленной на рисунке 1-15. Следовательно, преимущества СИД по сравнению с лампами позволяют сделать однозначный вывод о необходимости разработки на их основе СНК.
Совершенствование суперярких СИД определило их активное применение в НК, кроме СНК, в которых традиционно применялись тепловые источники излучения. На время работы над диссертацией, за рубежом и в России СНК на основе СИД, обеспечивающих возможность Глава управления пространственными, временными и спектральными параметрами ИП не было (СНК, используемые в PAPI и APAPI, а также ТОНы, формируют ИП с фиксированными угловыми размерами, цветораспределением и ограниченными возможностями по управлению проблесковыми характеристиками, что не отвечает в полной мере требованиям обеспечения посадки летательных аппаратов на необорудованные и малоразмерные, в том числе корабельные, площадки и проводки кораблей по сложным фарватерам). Причина состояла в том, что стандартные подходы к построению СФИП, применявшиеся в СНК с другими источниками излучения, в случае использования СИД требуют, для выполнения поставленных требований, корректировки из - за особенностей их светотехнических и конструктивных характеристик. Поэтому необходимо подробнее рассмотреть СИД, а также те подходы, которые применяют разные фирмы, занимающиеся разработкой НК на их основе.
Современный СИД - это точечный источник излучения, тело излучения которого имеет четко очерченные границы, а световой поток распространяется в широком телесном угле и имеет в большинстве случаев во много раз меньшую величину чем у ламп, используемых в навигации. Угловое распределение поля излучения СИД без вторичной оптики неравномерно. Невысокие уровни световых потоков заставляют применять для решения задач навигации группы светодиодов. Поскольку СНК являются достаточно обособленной группой зрительных СНО, а большинство составляют НК с круговыми полями излучения, то все внимание было привлечено к использованию СИД именно в круговых НК. Подходы к построению НК с круговыми полями излучения во многом схожи с подходами к построению систем бытового и промышленного освещения, являющихся огромным рынком сбыта СИД белого цвета. Это привлекает основное внимание производителей СИД к выпуску именно НК с круговыми полями излучения. В итоге развитие СИД белого цвета значительно Глава опередило развитие монохроматических СИ Д. Они и вторичная оптика, разработанные для систем освещения, активно используются в НК с круговыми полями излучения, материалы по данному вопросу представлены в публикациях [190, 211, 217, 219, 241, 242]. В массовом количестве производятся вторичные ОС трансформации излучения СИД из полимерных материалов, ориентированные на применение в комплекте с СИД основных мировых производителей.
Для применения СИД в круговых НК необходимо решить основную задачу: собрать максимальную долю энергии излучения в определенном телесном угле. Дополнительного требования к качеству границ формируемого ИП излучения не предъявляется, т.к. оно аналогично световым полям систем освещения.
В этом случае структура СФИП, полученная на основании публикации [130], состоящая из отдельных многократно повторяемых элементов (рассмотрен отдельный элемент), представлена на рисунке 1-16. 1 Рис. 1-16 СФИП элемента НК, формирующего ИП с размытыми границами (НК, формирующего круговое поле излучения):
Таким образом, при построении НК с круговым полем излучения, ОС, применяемая для геометрической трансформации выходящего из светодиода Глава излучения, является оптикой осветительных систем, не предусмотренных для построения изображения тела излучения в пространстве. Это не позволяет сформировать поля излучения с резкими границами, необходимыми при создании СНК. Поэтому СИД для создания СНК до недавнего времени не применялись. Исключение составляют ТОНы (точные огни наведения), повторяющие схему комплексов на лампах, в которых группы СИД расположены в плоскости, где ранее располагался блок светофильтров. В этом случае оптическая система строит изображение плоскости промежуточного источника. ТОНы на СИД имеют те же недостатки по формированию размеров световых полей, что и эти комплексы на лампах. Причиной этих недостатков является заложенный в основу прибора одиночный принцип построения ИП при котором каждому элементу ПОЛЯ соответствует только один элемент источника излучения.
Необходимость обеспечения воздушного и водного транспорта мобильными средствами зрительной навигации для выполнения таких сложных действий как посадка летательных аппаратов на необорудованные и малоразмерные, в том числе корабельные площадки, и, соответственно, проводка кораблей по сложным фарватерам в условиях необорудованного побережья, потребовала создания СНК на основе СИД в которых реализован новый (групповой) подход к построению ИП, для того, чтобы иметь возможность динамически управлять размерами, цветом и проблесковыми характеристиками монохроматических секторов, составляющих ИП. Для принятия решения о возможности применения СИД в качестве источников излучения было проанализировано, на основании публикации [20], соответствие цветности СИД зонам цветов на цветовом атласе, принятом для видов транспорта.
Выбор оптимальных характеристик цвета сигнала обусловлен наибольшей надежностью его различения и сохранения постоянства в продолжении всего времени наблюдения в заданных условиях. Этому Глава требованию более других удовлетворяет красный цвет, т.к. он при равных условиях наблюдения распознается надежнее по сравнению с другими цветами. Как показывают исследования, наиболее удалены от красного цвета по цветовому контрасту и поэтому надежнее различаются желтые и зеленые цвета. По данным исследований для трех основных сигнальных цветов средние значения пределов изменения цветового тона: Акр 615 нм; кж= 572 + 585 нм; к3 = 505 + 545 нм при оптимальных или типичных значениях: ккр = 640 нм; Хж = 580 нм; Х3 = 520 нм. На рисунках 1-17, 1-18 , в соответствии с публикациями [130, 145, 190, 242, 249, 250, 251] приведены цветовые характеристики светодиодов.
Сравнение эффективности лидаров с различными длинами волн излучения
До 1999 года разработки опытных образцов МНДЛ по схеме интерферометра с поляризационной развязкой на основе непрерывных одночастотных газовых ССЬ - лазеров с жидкостным охлаждением с длиной волны излучения 10,6 мкм и шириной спектра излучения до 50 кГц проводились в НИИ Авиационного оборудования г. Жуковский. При участии автора был создан ряд опытных образцов с дальностью локации до 3000 метров. Начиная с 2001 года на АО «Раменский приборостроительный завод» при участии автора были созданы несколько вариантов МНДЛ по схеме интерферометра с поляризационной развязкой на основе непрерывных одночастотных газовых СО2 - лазеров с воздушным охлаждением с длиной волны излучения 10,6 мкм, шириной спектра излучения до 100 кГц. На время работы над диссертацией они производились серийно. Внешний вид МНДЛ, их составных частей и основные характеристики приведены в главе 6.
За рубежом ведутся активные работы по созданию импульсных доплеровских лидаров, материалы о которых отражены в публикациях [73, 84, 136]. Доплеровский лидар для измерения скорости ветра WIND (Wind Infrared Doppler Lidar) фирм CNRS, CNES (Франция) и DRL (Германия) используют одномодовый СО2 - лазер с поперечной накачкой с энергией излучения 360 мДж и частотой повторения импульсов 4 или 10 Гц. Диаметрапертуры телескопа составляет 200 мм, коническое сканирование осуществляется в секторе 30 с периодом 20 или 30 секунд. Летные испытания лидара проводились на борту самолета Falcon 20.
Фирма DREF (Канада) разработала гетеродинный лидар с мощностью излучателя - передатчика до 400 кВт при частоте 1 Гц. Диаметр антенны составляет 100 мм, угол поля зрения 1 мрад. Дальность обнаружения скоростных быстро летящих целей со скоростью 1000 м/с составляет до 31 км при размерах мишени 100x100 мм.
В США фирмой Lincoln Laboratory MTI была разработана модель лидара с мощностью передатчика 400 - 1000 кВт, длительностью импульса 1 - 4 мкс, частотой 5, 25, 62, 125, 250 Гц и диаметром антенны 1200 мм. Лидар предназначался для слежения за самолетами и спутниками на дальностях 5 -1000 км.
Фирма LEOSPHERE (Lidar Environmental Observations) создала серию импульсных лидаров Windcube с диапазоном измерения на высотах от 40 м до 6500 м, разрешение по высотам 20 - 50 метров, точностью измерения вектора скорости ветра 0.2 - 0.3 м/с, точностью определения направления 2. Время усреднения составляет 10 минут, длина волны излучения 1.54 мкм.
Устранить ранее перечисленные недостатки МНДЛ на СО2 - и твердотельных лазерах можно, за счет применения непрерывного ПЛ с управляемой шириной спектра излучения, генерирующего излучение в ближней инфракрасной области спектра в диапазоне 0.96 - 0.98 мкм. Это область окна прозрачности атмосферы 0.95 + 1.05 мкм. Для этого спектрального диапазона существует ряд высокочувствительных неохлаждаемых pin-фото диодов. Применение полупроводниковых лазеров, обладающих зоной излучения с четко сформированными пространственными границами, требует разработки нового подхода к определению пространственного распределения эффективности гетеродинирования лидара Глава с учетом размеров и положения зоны излучения источника, характеризуемой ИП лидара.
Существующие принципы построения системы формирования информационного поля непрерывного моностатического доплеровского лидара.
ИП лидара является условное пространственное распределение рабочего оптического сигнала на промежуточной частоте в зоне локации МНДЛ, регистрируемого ФПУ. Оптический сигнал, в свою очередь, определяется эффективностью гетеродинирования, т.е. эффективностью формирования в пространстве поля излучения зондирующего и мнимого поля излучения опорного канала и их взаимной пространственной ориентацией. Таким образом, в качестве ИП МНДЛ можно рассматривать эффективность наложения сформированных в пространстве полей излучения опорного и зондирующего каналов. Полученный вывод будет использован при получении математических выражений, описывающих ИП лидара, приведенных в публикации [36].
Необходимо пояснить понятия: поле излучения зондирующего канала и мнимое поле излучения опорного канала.
Полем излучения зондирующего канала является распределение в пространстве в области локации излучения зондирующего канала, сформированного всей ОС зондирующего канала, что представлено в публикации [36].
Мнимым полем излучения опорного канала является сформированное всей оптической системой опорного канала в обратном ходе луча распределение в пространстве в области локации поля опорного канала. Приведенное рассуждение допустимо, поскольку эффективность приема оптического сигнала на промежуточной частоте определяется тем, насколько точно будет согласовано на площадке ФПУ распределение полей опорного луча и изображения полученной сфокусированным зондирующим лучом Глава лоцируемой области пространства. Следовательно, можно получить пространственное распределение эффективности приема сигнала из лоцируемой области пространства путем выполнения обратного действия. По распределению поля опорного луча на чувствительной площадке ФПУ получают его мнимое пространственное изображение (распределение в лоцируемой области пространства) и путем наложения на пространственное распределение зондирующего луча в этой области получают пространственное распределение эффективности гетеродинного приема, которое является ИП лидара. Изложенный подход к определению пространственной эффективности гетеродинирования, когда рассмотрение переносится в лоцируемую область пространства, не является новым. Он применялся в НИИ Авиационного оборудования для анализа работы лидаров на основе СО2 - лазеров, путем определения распределения рабочего сигнала вдоль оптической оси, что представлено в публикации [36]. Однако в том случае, если в качестве источника излучения применяется ИЛ, возникает ряд принципиальных отличий, которые требуют разработки нового метода расчета ИП лидара, связанного с особенностями применяемого источника излучения. Это находит отражение в особенностях построения СФИП лидара. При использовании в качестве источников излучения одночастотных непрерывных газовых или твердотельных лазеров, имеющих объемные резонаторы и генерирующих на выходе лазерный луч с малым углом расходимости, принимается, что он претерпевает геометрическую трансформацию непосредственно в оптической антенной системе.
При рассмотрении формирования полей зондирующего и опорного лучей в области локации в качестве исходной информации рассматривалось распределение амплитуды и фазы сферической волны на апертуре выходного зрачка антенной системы.
Обоснование необходимости контроля ширины спектра излучения источника лидара
Для СНК водного транспорта критичным является четкость формы границ полей МС в горизонтальной плоскости. Равномерность распределения потока излучения по вертикали менее критична. В верхней и нижней частях диаграммы направленности величина потока излучения может быть снижена на 15% -т- 20% по отношению к центральной зоне. Однако они редко используются в работе СНК. Следовательно, нет необходимости использовать дополнительную ОС кроме той, которой обладает сам СИД, для формирования распределения потока излучения по вертикали. (В СНК для воздушного транспорта поход аналогичен, за исключением того, что требования к распределение потоков излучения по горизонтали и вертикали меняются местами.)
Таким образом, в качестве ОС излучателя применяется однокомпонентная анаморфотная ОС - плосковыпуклая положительная цилиндрическая линза, формирующая поле излучения в горизонтальной плоскости. Форма линзы выбрана, с одной стороны, для удобства установки в конструкцию излучателя, с другой - обеспечения величины сферической аберрации, близкой к минимальной, т.к. форма линзы близка к оптимальной.
Размер одной стороны рабочего сечения (по вертикали) поля излучения светодиода плоскостью, перпендикулярной его оптической оси, установленной в вершине сферической поверхности его корпуса, составляет не более 7 мм. Размер второй стороны и параметры линзы определяется исходя из обеспечения равномерности пространственного распределения потока излучения по горизонтали и приемлемых габаритов конструкции излучателя. Исходя из углового распределения силы излучения суперярких СИД различных конструкций, размер рабочего сечения поля излучения светодиода по горизонтали не должен превышать 2 мм, который соответствует углу раскрыва + 3. Фокусное расстояние одиночной плосковыпуклой цилиндрической линзы, обеспечивающее угловой раскрыв диаграммы направленности монохроматического поля излучения излучателя 2.5 в горизонтальной плоскости, составляет 41.2 мм. В горизонтальной плоскости угловой раскрыв ДН поля излучения составляет 2.5, в вертикальной + 10. Для упрощения расчетов вместо плосковыпуклой цилиндрической линзы рассматривается плосковыпуклая линза круговой симметрии с соответствующим согласованием по угловым пространственным частотам. При этом Кос приведенной ОС по вертикали определяется параметрами СИД, а по горизонтали - параметрами плосковыпуклой положительной линзы. Кос одиночной преломляющей сферической поверхности (поверхности корпуса СИД), в соответствии с материалами публикации [149], определяется выражением: (п2-п1)п1(5+Л)2[п15+(п2+п1)Л] , (2.41) JH2J п где R - радиус кривизны сферической поверхности (м); S - расстояние по оптической оси от кристалла до вершины сферической поверхности СИД (м); п1 - показатель преломления материала корпуса суперяркого СИД; «2 = 1 - показатель преломления воздуха. Перед расчетом пространственных параметров ДН поля МС определяется сила света, создаваемая отдельным излучателем, и количество излучателей в группе, позволяющее получить необходимую дальность видимости. При определении количества излучателей одного цвета в группе, формирующих поле МС, для одного из них определяется средняя сила света в максимальном рабочем угле раскрыва ДН монохроматического светового поля СИД (максимальный рабочий угол раскрыва - по вертикали ±10). Средняя сила света СИД в рабочем угле раскрыва определяется выражением:
Величина телесного угла, в котором распространяется световой поток светодиода, участвующий в формировании светового поля излучателя, составляет Q= 0.0333 ср. Средняя величина используемого светового потока СИД (величина светового потока излучателя) определяется выражением: Фуизл = hp , (2.43) где Q- телесный угол используемого светового потока СИД (ср); 1ср - средняя величина силы света, формируемая СИД (кд).
Световой поток излучателя с красным или желтым светодиодом составляет 0.2664 лм, световой поток излучателя с зеленым СИД составляет 0.21312 лм.
ОС излучателя формирует ДН поля излучения МС с заданными углами раскрыва 2.5 х 20. Телесный угол этой ДН составляет Д, = 0.01539 ср.
Усиление силы света ОС излучателя по сравнению с величиной силы света СИД за счет уменьшения телесного угла распространения светового потока определяется коэффициентом Ку:
Расчетная величина коэффициента Кус равна 2.164, тогда средняя сила света для излучателя каждого цвета свечения определяется выражениями: к.и к.ср- ус (2.45) (2.46) (2.47) г К & Ґ Т, о//- Ґ л , Ґ л з.и з.ср- ус средняя сила света световых полей излучателей красного, желтого и зеленого цветов свечения соответственно.
Таким образом, сила света излучателей красного и желтого цвета свечения составляет 17.312 кд. Сила света излучателя зеленого цвета свечения составляет 13.85 кд. Так как на данном этапе отсутствует информация о дальности видимости света монохроматических суперярких СИД, то в качестве исходных использованы данные, представленные в публикациях [53, 59], о дальности видимости монохроматических огней, образованных тепловыми источниками света с светофильтрами.
Для обеспечения дальности видимости 9 км ночью в условиях хорошей видимости (г= 0.9 км-1), которая соответствует 8 баллу МДВ в соответствии с требованиями, предъявляемыми к навигационному оборудованию, сила света белого постоянного огня, найденная по номограммам, составляет Iбел = 40 кд. В соответствии с рекомендациями по определению силы света цветных огней, изложенными в литературе [20, 146], для определения силы света, которую необходимо создать в ДН поля излучения МС красного цвета, сила света белого постоянного огня делится на коэффициент 0.4 для приведения к цветовому порогу: